STANBUL TEKNK NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

KRESEL GRAFTL DKME DEMRLERE UYGULANAN YZEY LEMLERNN AINMA DRENCNE ETKSNN NCELENMES

YKSEK LSANS TEZ Mh. Sekin zzet AKRAY

Anabilim Dal: METALURJ VE MALZEME MHENDSL Program: MALZEME MHENDSL

HAZRAN 2007

STANBUL TEKNK NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

KRESEL GRAFTL DKME DEMRLERE UYGULANAN YZEY LEMLERNN AINMA DRENCNE ETKSNN NCELENMES

YKSEK LSANS TEZ Mh. Sekin zzet AKRAY ( 506041430 )

Tezin Enstitye Verildii Tarih: 7 Mays 2007 Tezin Savunulduu Tarih: 11 Haziran 2007

Tez Danman:Dier Jri yeleri:

Yard. Do. Dr. Murat BAYDOANProf. Dr. E. Sabri KAYALI Prof. Dr. Mehmet KOZ

HAZRAN 2007

NSZ Tez almann gerekletirilmesi srasnda, byk sabr ve zveriyle beni destekleyen, sahip olduu bilgi ve deneyimleri ile karlatm btn zorluklar zmleyen, gsterdii ilgi ve emek ile almamn ksa srede hedefine ulamasn salayan ve bana her konuda destek olan deerli hocam Yrd. Do. Dr. Murat BAYDOANa ve almam sresince karlatm glkleri zmlememe yardmc olan, yakn ilgisini daima hissettiim saygdeer hocam Prof. Dr. E. Sabri KAYALIya en iten duygularmla teekkrlerimi sunarm. almam srasnda, eitli fikir, neri ve tecrbelerinden yararlandm deerli hocam Prof. Dr. Hseyin MENOLUna harcad zaman ve emekten dolay teekkr ederim. Ayrca almalarm esnasnda yardmlarn esirgemeyen ve vakitlerini ayrarak almalarma destek vererek ynlendiren Ar. Gr. zgr elik ve Ar. Gr. Hasan Gleryze teekkr ederim. Her trl maddi ve manevi zveride bulunarak bugnlere gelmemde byk katklar olan, her konuda beni daima destekleyen aileme, her zaman derin bir minnet ve kran borluyum.

Mays,2007

Sekin zzet AKRAY

ii

NDEKLER Sayfa No NSZ................................................................................................................... ii NDEKLER .................................................................................................... iii KISALTMALAR ...................................................................................................v TABLO LSTES ................................................................................................. vi EKL LSTES .................................................................................................. vii ZET..................................................................................................................... ix SUMMARY ............................................................................................................x 1. GR ..................................................................................................................1 2. KRESEL GRAFTL DKME DEMRLER ..............................................4 2.1. Kresel Grafitli Dkme Demirlerin Snflandrlmas ....................................6 2.2. Kresel Grafitli Dkme Demirlere Uygulanan Yzey Sertletirme lemleri 7 2.3. Kresel Grafitli Dkme Demirlerin Kullanm Alanlar ..................................7 3. STEMPERLEME ISIL LEM....8 3.1. stemperleme Isl lem Sreci. ............................................................8 3.2. stemperleme Srecini Etkileyen Parametreler ..........................................13 3.2.1 Kresel Grafitli Dkme Demirlerin Dkm Kalitesi...................................13 3.2.2. stenitleme ve stemperleme Parametrelerinin Etkisi ...............................14 3.2.3. Alam Elementlerinin Etkisi .......................................................................20 3.3. stemperlenmi Kresel Grafitli Dkme Demirlerin Mekanik zellikleri.24 3.3.1. stenitleme Scakl ve Sresinin Mekanik zellikler zerine Etkisi ......24 3.3.2. stemperleme Scakl ve Sresinin Mekanik zellikler zerine Etkisi ..25 4. BORLAMA.......................................................................................................29 4.1. Borlama leminin Genel Prensipleri ve zellikleri .....................................29 4.2. Demir Esasl Malzemelerin Borlanmas .......................................................33 4.2.1. Fe2B ve FeB Fazlarnn zellikleri ..............................................................33 4.3. Borlama Yntemleri.....................................................................................34 4.3.1. Kutu Borlama ...............................................................................................35 4.3.2. Pasta Borlama ..............................................................................................36 4.3.3. Sv borlama .................................................................................................37 4.3.4. Gaz Borlama.................................................................................................37 4.4. Bor Kaplamalarn Anma zellikleri .........................................................38 5. DENEYSEL ALIMALAR..........................................................................40 5.1. Deneysel Malzeme .......................................................................................40 5.2. Mikroyapsal Karakterizasyon .....................................................................40 iii

Sayfa No 5.3. Malzemeye Uygulanan Isl lemler ve Yzey lemleri.............................40 5.3.1. stemperleme Isl lemi .............................................................................40 5.3.2. Borlama lemi .............................................................................................41 5.3.3. Borlama ve stemperleme lemi................................................................41 5.4. Mekanik Deneyler........................................................................................41 5.4.1. Makro Sertlik Deneyleri...............................................................................42 5.4.2. Mikro Sertlik Deneyleri ...............................................................................42 5.4.3. Anma Deneyleri ........................................................................................42 5.4.4. Korozyon Deneyleri .....................................................................................43 6. DENEYSEL SONULAR VE RDELEME .................................................44 6.1. Mikroyap ncelemeleri................................................................................44 6.2. Mekanik Deneyler........................................................................................52 6.2.1. Sertlik Deneyi Sonular ..............................................................................52 6.2.2. Anma Deneyleri ........................................................................................55 6.3. Korozyon Deneyleri .....................................................................................57 7. GENEL SONULAR ......................................................................................61 KAYNAKLAR .....................................................................................................63 ZGEM..........................................................................................................66

iv

KISALTMALAR PVD CVD INCO BCIRA DDK IT UAV :Fiziksel Buhar Biriktirme :Kimyasal Buhar Biriktirme :International Nickel Company :British Cast Iron Research Association :Dkme Demir Kresel Grafitli :zotermal Dnm :Dnmemi stenit Hacim Oran

v

TABLO LSTES Sayfa No Tablo 2.1. kincil elementlerin grafit yapsna etkileri .........................................5 Tablo 2.2. Sfero dkme demirlerin ana yaplarna gre sertlik deerleri.............5 Tablo 2.3. TSE standardna gre kresel grafitli dkme demirlerin snflandrlmas.................................................................6 Tablo 2.4. DIN standardna gre kresel grafitli dkme demirlerin snflandrlmas.................................................................6 Tablo 3.1. stenitleme scaklna bal olarak stenitlenmi (Co) ve stemperlenmi (Cmaks) matriksteki dengesel karbon oran .............18 Tablo 4.1. Borlanm eliklerin sertlik deerlerinin dier ilemlerle ve sert malzemelerle karlatrlmas....................................................31 Tablo 4.2. Fe2B ve FeB fazlarnn tipik zellikleri ............................................34 Tablo 4.3. Kutu borlama ileminde kullanlan bor salayc maddelerin baz zellikleri...................................................................................36 Tablo 4.4. Borlama ileminde kullanlan eitli gazlarn baz zellikleri ..........38 Tablo 5.1. Bu tez almasnda kullanlan GGG 40 kalite kresel grafitli dkme demirin kimyasal bileimi.............................40 Tablo 6.1. Bu almada kullanlan GGG 40 kalite kresel grafitli dkme demirin mikroyapsal zellikleri...................44

vi

EKL LSTES Sayfa No ekil 2.1: ekil 2.2: ekil 3.1: ekil 3.2: ekil 3.3: ekil 3.4: ekil 3.5: ekil 3.6: ekil 3.7: ekil 4.1: ekil 4.2: ekil 4.3: ekil 4.4: ekil 4.5: ekil 5.1: ekil 5.2: ekil 6.1: ekil 6.2: ekil 6.3: ekil 6.4: ekil 6.5: Farkl derecelerde kresellemi kresel grafitli dkme demirlerin parlatlm haldeki optik mikroskop fotoraflar...4 Temperlenmi kresel grafitli dkme demir yaplar..........................5 Kresel grafitli bir dkme demirin izotermal dnm (IT) Diyagram..10 Alt beynit (250-330C) ve st beynit (330-400C) oluum mekanizmas.........................................................................11 Yksek karbonlu stenit orannn stemperleme sresine bal olarak deiimi. ........................................................................15 ematik Fe-C-Si faz diyagram ve ferrit(), stenit() ve sementit (Fe3C) fazlar iin serbest enerji erileri.............................16 Yar kararl /+ snrlaryla, martenzit balama ve biti scaklklarn gsteren FeC-Si (arlka %2.5 Si) denge diyagram. ...............................................................................18 927 oCde stenitlenmi bir kresel grafitli dkme demirde eitli stemperleme scaklklar ve srelerinde X.C ilikisi....................................................................19 stemperleme scaklnn mekanik zelliklere etkisi. ....................27 Fe-B ikili denge diyagram................................................................29 Farkl karbon bileimlerine gre yzeyde oluan borr tabakalarnn morfolojisi ve kalnlklar. .................................31 Konvansiyonel borlama srasnda borr tabakasnn oluum mekanizmas.........................................................................32 Kutu borlamann ematik gsterimi ..................................................35 Termokimyasal yntemlerle kaplanm eliklerin abrasif anma davranlar................................................................39 Kart hareketli anma deney cihaz.................................................43 Anma izinin derinlii ve geniliinin ematik olarak gsterimi. ...43 Dkm halindeki GGG 40 kalite kresel grafitli dkme demirin dkm halindeki mikroyaps............................................................44 250Cde stemperlenen numunelerin optik mikroyap fotoraflar..............................................................46 300Cde stemperlenen numunelerin optik mikroyap fotoraflar..............................................................47 350Cde stemperlenen numunelerin optik mikroyap fotoraflar..............................................................49 400Cde stemperlenen numunelerin optik mikroyap fotoraflar..............................................................50

vii

Sayfa No ekil 6.6: ekil 6.7: ekil 6.8: ekil 6.9: ekil 6.10: ekil 6.11: ekil 6.12: ekil 6.13: ekil 6.14: 900Cde 90 dk borlanm numunenin parlatlm haldeki mikroyaps.........................................................51 900 oCde 90 dakika borlama yapldktan sonra 300 oCde 2 saat stemperlenmi numunenin optik mikroyap fotoraf ..................................................................51 stemperleme sresine bal olarak sertliin deiimi ....................52 stemperleme sresine bal olarak mikro sertliin deiimi..........53 stemperleme scaklna bal olarak makro ve mikrosertlik deiimi ........................................................54 Dkm halinde borlanm numunenin yzeyinden matrikse doru sertlik dalm .........................................................54 Borlanp stemperlenmi numunenin mikroyap-mikrosertlik dalm grafii ............................................55 ncelenen numunelerin anma hacminin ve relatif anma direncinin stemperleme scaklk ve sresine gre deiimi.......................................................................56 ncelenen numunelerin korozyon deneyinde stemperlenmi numunelerin ve borlama + stemperleme uygulanm numunelerin % arlk kaybnn korozyon sresine bal olarak deiimi...........................................58 ncelenen numunelerin korozyon deneyinde stemperlenmi numunelerin ve borlama + stemperleme uygulanm numunelerin relatif korozyon direncinin korozyon sresine bal olarak deiimi...........................................59

ekil 6.15:

viii

KRESEL GRAFTL DKME DEMRLERE UYGULANAN YZEY LEMLERNN AINMA DRENCNE ETKSNN NCELENMES ZET stemperlenmi kresel grafitli dkme demirler, dkme demirlerin yeni bir snfdr ve zellikleri seilen stemperleme parametrelerine bal olarak deiebilmektedir. stemperlenmi kresel grafitli dkme demir malzemelerinin ekici hale gelmesi, yksek dayanmla birlikte iyi sneklik, iyi anma direnci ve yksek yorulma direnci ve krlma tokluunun mkemmel kombinasyonu gibi benzersiz zelliklere sahip olmasna dayandrlmaktadr. eliklere gre, stemperlenmi kresel grafitli dkme demirler; dk malzeme maliyetine, dk retim maliyetine, dk younlua, iyi ilenebilirlie ve yksek titreim sndrme kabiliyetine sahiptir. te yandan yzey ilemleriyle malzemelerin mekanik zellikleri gelitirilebilmektedir. Anma sorununu minimuma indirmede etkili yntemlerden biri olan borlama, yksek scaklkta ana metalin yzeyinde borr tabakas oluturulmas ilemidir. Borlama ilemi, 8001000C scaklk aralnda, 110 saat srelerde kat, pasta, sv veya gaz gibi eitli ortamlarda uygulanabilmektedir. Bu almada Aral Dkm tarafndan retilen GGG-40 kalite kresel grafitli dkme demirlere uygulanan eitli ilemlerin, malzemenin mikroyaps, sertlik ve anma direnci gibi mekanik zellikleri ile korozyon zelliklerine etkisi incelenmitir. Bu amala, dkm halindeki alama, stemperleme, borlama ve borlama-stemperleme ilemleri uygulanmtr. stemperleme ilemi, 900Cde 90 dakika stenitleme sonras malzemenin, 250-400C scaklklarda 5640 dakika arasndaki 8 farkl sre tutulmas eklinde uygulanmtr. Borlama ilemi iin malzemelerin ticari Ekabor-3 ierisine gmldkten sonra 900Cde 90 dakika tutulduu kutu borlama ilemi kullanlmtr. Borlama ve stemperleme ilemini ayn anda yapld uygulamada ise malzeme, 900Cde 90 dakika borlandktan sonra, seilen stemperleme scaklk ve srelerinde ilem grdkten sonra havada soutulmutur. stemperleme ilemi sonucu, mikroyapnn stemperleme scaklna bal olarak deien morfoloji ve oranlarda beynitik ferrit ve kalnt stenitten ibaret olduu, optimum koullarda yaplan stemperleme ile anma direncinin dkm haline gre 4.5 kat artt belirlenmitir. Benzer ekilde borlama ilemi sonucu anma direnci, dkm haline gre 5 kat, borlamay takiben yaplan stemperleme ile de 6.5 kat artmtr. Ayrca borlamay takiben yaplan stemperleme ile anma direncinin, stemperleme ilemine gre 1.5 kat artt gzlemlenmitir. Belirli borlama + stemperleme koullar iin (250Cde 320 dakika ve 350Cde 10 dakika), dkm hali, stemperleme uygulanm ve borlama uygulanm numuneler gre daha yksek korozyon direnci elde edilebilmektedir. Bu art miktar, dkm haline gre % 25, borlama ilemine gre ise yaklak % 8 korozyon direncini ifade etmektedir. Sz konusu koullarda yaplan borlama + stemperleme ilemi, sadece stemperleme ilemine gre korozyon direncini yaklak % 8 artrmtr.

ix

THE EFFECT OF COATINGS ON WEAR CHARACTERISTICS OF SPHERODIAL GRAPHITE CAST IRON SUMMARY Austempered ductile iron offers a special combination of properties: much higher strength, greater toughness, through hardenability, superior wear resistance with the same design flexibility as ductile iron. By using surface treatment methods, materials mechanical properties can be improved. Wear is always observed as one of the follow-up issue for machinery equipments which are exposed to friction. Boriding or boronizing is a thermodiffusion surface hardening process in which boron atoms diffused into the surface of a work piece to form borides with the base material. The boriding process can be applied to a wide variety of ferrous, non-ferrous and cermet materials. The process involves heating of well cleaned material in the range of 800 to 1000C, preferably for 1 to 10h in contact with a boronaceous solid powder or boronizing compound, paste, liquid or gaseous medium. In this study, effects of various processes that are applied on the cast iron with GGG40 quality spherical graphite produced by Aral Dkm on microstructure of the material, mechanical properties such as hardness, wear resistance and corrosion properties are observed. On this account, austempering, boriding and boridingaustempering processes are applied on the alloy as cast. Austempering procedure is fulfilled by the materials being held in different 8 durations between 5-640 minutes in the temperatures of 250,300,350 and 400C after austenitizing for 90 minutes in 900C. For boriding process, pack boriding is used in which the materials are held for 1-8 hours in 900C after buried in commercial Ekabor-3. Whereas, in the procedure which boriding and austempering are applied together, material is cooled in the weather after it is borided for 90 minutes in 900C that is followed by the operation done under the chosen austempering degrees and durations. Effects of the applied processes on physical, mechanical and corrosion properties, hardness and microhardness measurement, boride layer thickness, examinations of microstructure, opposite sided wear experience and corrosion experience are observed. As a result of austempering, it is concluded that microstructure is consisted of bainitic ferrit and retained austenite which changes according to the temperature of austempering in various morphologies and rates, and that wear resistance in austempering under optimum circumstances is 4.5 times more than when it is as cast. Similarly, wear resistance increased 5 times after boriding, and 6.5 times after austempering followed by boriding. Moreover, it is observed in boriding that it is 1.5 times more than austempering processed before. Boriding followed by austempering performed in certain conditions yielded a 25% increment in corrosion resistance with respect to that of as cast ductile iron.

x

1. GR Kresel grafitli dkme demirler, eliin mekanik zelliklerine ve dkme demirin retim zelliklerine sahip bir malzeme grubu olarak tanmlanmtr. Kresel grafitli dkme demirler, gri dkme demirlerden yaklak iki kat daha fazla mukavemete sahip olup, elie gre ok daha kolayca dklebilmektedir. stelik retimindeki byk maliyet avantaj, kullanm alann hem elik hem de dier dkme demirlere gre her geen gn biraz daha geniletmitir. Dkme demir alanndaki ilk gelime, alama ileminde baarya ulalarak, gri dkme demir snfnn, daha sonraki gelime ise magnezyum ve seryum ilemlerinde baar salanarak kresel grafitli dkme demir snfnn kazanlm olmasdr. Gnmzde kresel grafitli dkme demirler zellikle otomotiv endstrisinde baaryla kullanlmaktadr. Kresel grafitli dkme demir teknolojisinin gelimesine bal olarak, kresel grafitli dkme demirin mekanik zelliklerini daha da gelitirmenin yollar aranmtr. Ancak, yaplan almalarda, grafite kreselden baka bir morfoloji kazandrmann imkansz olduunun anlalmas, aratrmaclar mekanik zellikleri, matriksin modifikasyonu yoluyla gelitirmek iin almaya itmitir [1]. Bu almalara bal olarak, stemperleme sl ileminin kresel grafitli dkme demirlere uygulanmasyla dkme demire beynitik bir mikroyap kazandrlarak stemperlenmi Kresel Grafitli Dkme Demirler gelitirilmitir. stemperleme ilemine bal olarak, kresel grafitli dkme demirlerin mukavemet, sneklik, tokluk ve anma direnci gibi mekanik zelliklerinde nemli artlarn elde edilebilecei belirtilebilir. stemperlenmi kresel grafitli dkme demirlerin stemperleme srecinde meydana gelen mikroyapsal dnmleri, yaplar yannda alam elementlerinden kaynaklanan segregasyon sorunlar, dkmn kesit kalnl gibi mekanik zelliklerini etkileyen faktrler ve pratikteki uygulama alanlar hakknda da bugne kadar pek ok makale yazlmtr. Ancak yine de, alam elementlerinin mekanik

1

zelliklere etkilere bata olmak zere, daha henz akla kavumam pek ok noktalar vardr ve bu konu zerindeki almalar hzla srmektedir [2]. Genel olarak bir malzemenin performans, ktlesel ve yzeysel zelliine baldr. Malzemenin yzey zelliindeki herhangi bir deiim, malzeme fonksiyonlarn byk lde etkilemektedir. Son yllarda malzeme yzey zelliklerinin rol, birok almann konusunu oluturmutur. Yzey enerjisi, yzey gerilmesi, yzeyin aktivitesi ve yzeyle ilgili problemler bilimsel alanda byk nem kazanmtr. Metal ve alamlarnn ktlesel ve yzey zellikleri arasndaki iliki uzun yllardan beri aratrlmaktadr [1]. Yzey ilemleri; malzemelerin sertlik, sneklik, yorulma, anma, korozyon, ssal ve darbesel ok gibi mekanik ve tribolojik zelliklerinin bir veya birkan gelitirmek ve retim maliyetini drmek amacyla uygulanmaktadr. Bu zellikler arasnda, parann anma ve korozyona kar direncinin arttrlmas nem asndan ilk srada yer almakta ve sanayide uygulanan ilemlerin byk ounluunun amacn tekil etmektedir. Anma ve korozyon, dnyada her yl nemli maddi kayplara neden olmaktadr. Bu nedenle, son yllarda yaygn olarak allan balca konular arasnda retilen paralarn evre artlarnda bozulmasn nleyecek kaplamalarn gerekletirilmesi zerine olmutur. Bu amala, oksit, karbr borr ve nitrrlere dayanan srekli kaplamalar byk ilgi grmektedir [4]. Termokimyasal bir kaplama ilemi olan borlama, daldrma teknii ile kaplamaya en uygun olan metodlardan bir tanesidir. Trkiyenin dnyada en byk bor rezervine sahip olan lke olmas sebebiyle [5] ve bor bileiklerinin stn zellikleri gz nne alnd takdirde, bor kaplamalarn lkemiz asndan nemi ortaya kmaktadr. Bu amala, demir esasl malzemelerin borlanmas konusunda birok aratrma yaplmtr. Gelimi lkelerin endstrisinde bor kaplama yaygn olarak kullanlmaktadr. elikler zerine borlama konusunda yzlerce aratrma yaplmasna ramen, dkme demirler konusunda almalar snrl kalmtr. Kresel grafitli dkme demirler, eliklerin ve dkme demirlerin zelliklerini bir arada bulundurmas sebebiyle kullanm gnmzde artmtr. Birok srtnmeli ortamda, kresel grafitli dkme demirlerin kullanm alan bulmas, bu malzemenin ktlesel zelliklerinin yannda yzey zelliklerinin de nemli olduunu ortaya karmaktadr. Bunun yannda,

2

kresel grafitli dkme demirlerin yzey zelliklerini gelitirmek amacyla baz kaplama teknikleri uygulanmaktadr. Bu tez almasnda, DIN1693 standardna uygun olarak dklen GGG 40 kalite kresel grafitli dkme demir numuneler, 900 oC scaklkta 90 dakika stenitlendikten sonra 250300350400oC deki stemperleme banyosuna aktarlm ve 51020 4080160320640 dakika srelerle stemperlendikten sonra havada soutulmutur. Ayrca ayn numunelere stemperleme ilemi yaplmadan sadece borlama ilemi uygulanmtr. Uygun olan stemperleme scakl ve stemperleme sresi seilip, borlanan numuneye derhal stemperleme sl ilemi yaplarak d yzeyde borr tabakas, matrikste ise beynitik yap elde edilmitir. Bu almada, dkm hali, borlanm, stemperlenmi ve borlanp stemperlenmi numunelerin anma dayanmlar kyaslanarak, mikroyap-anma direnci ilikisinin saptanabilmesi iin disk zerinde bilya yntemiyle anma deneylerinin yaplmas amalanmtr.

3

2. KRESEL GRAFTL DKME DEMRLER Kresel grafitli dkme demirler, sfero, nodler, ya da snek dkme demir olara da bilinirler. Gri dkme demirlerden tek fark ierdikleri grafitin kresel biimde olmasdr. Grafitlerin kresel biimde olmas, sfero dkme demirlere, daha fazla tokluk ve daha iyi mekanik zellikler salar. Toplam karbon miktar gri dkme demirlerle ayndr. Katlama srasnda grafitlerin kresel biimde olumasn salayan, dkmden nce potaya ilave edilen Mg ya da Ce gibi elementlerdir. Bu elementlerin kkrde kar ilgileri ok fazla olduundan, kreletirme ileminin iyi bir ekilde yaplabilmesi iin eriyik metalin kkrt orannn %0.015in altnda olmas gerekir. Alam elementlerinden il oluumu ve matris yapsnda etki edenler birincil alam elementi olarak, grafit yaps ve krelemeye etki eden elementler ise ikincil alam elementleri olarak adlandrlrlar. Tablo 2.1de ikincil elementler ve grafit ekline olan etkileri verilmitir. Kreleme bileimindeki alam elementi miktarlarna gre farkllklar gstererek, belirli oranlarda oluabilir. ekil 2.1de farkl derecelerde kreselleme gsteren dkme demir yaplar gsterilmitir .

(a)

(b)

(c)

ekil 2.1: Farkl derecelerde kresellemi kresel grafitli dkme demirlerin parlatlm haldeki optik mikroskop fotoraflar. (a) %99 kresellemi (b) %80 kresellemi (c) %50 kresellemi [6].

4

Dkm malzemenin yapsndaki ferrit ve perlit miktarlar, malzemenin kimyasal bileimi ile souma hzna baldr. En fazla %10 perlit ierenler, ferritik kresel grafitli dkme demir olarak adlandrlr. Kresel grafitli dkme demirler uygulanan sl ilemlere gre yaplar ferritik, perlitik veya martensitik olabilir. Tablo 2.1: kincil elementlerin grafit yapsna etkileri [6].Element Snf Kreletirici Krelemeye Etkisiz Krelemeyi Azaltc Element Magnezyum, kalsiyum, nadir toprak metalleri (seryum, lantanyum, v.b.), yitriyum Demir, Karbon, alam elementleri Alminyum, titanyum, arsenik, bizmut, telr, kurun, kkrt, antimon

Kresel grafitli dkme demirler ana yaplarna gre Tablo 2.2de verilen sertlik deerlerine eriebilirler. Oluan yaplara ait mikroyap fotoraflar ekil 2.2de gsterilmitir. Tablo 2.2: Sfero dkme demirlerin ana yaplarna gre sertlik deerleri [7].Ana Yap Ferritik Ferritik (alaml) Perlitik Perlitik (alaml) Martenzitik stenitik Sertlik, HB 130 210 200 275 320 130-160

(a)

(b)

(c)

ekil 2.2: Temperlenmi kresel grafitli dkme demir yaplar: (a) tam temperlenmi ferritik yap (x100), (b) ksmen temperlenmi perlitik ve ferritik yap (x100), (c) Normalize perlitik yap (x500) [6]. 5

2.1. Kresel Grafitli Dkme Demirlerin Snflandrlmas Kresel grafitli dkme demirlerin elde edilmesinde iki ana yntem vardr: a) INCO (International Nickel Company) yntemi b) BCIRA (British Cast Iron Research Association) yntemi Kresel grafitli dkme demirlerin yapsndaki grafitler elie benzer bir matris ierisinde dalm kresel partikller halindedir. Grafitlerin kreler halinde olumasn salamak iin, BCIRA ynteminde sv demire seryum (Ce) ilave edilmektedir. INCO ynteminde ise sv demire magnezyum (Mg) ilavesi yaplarak, grafitlerin kre eklinin almas salanmaktadr [9]. Kresel grafitli dkme demirler eitli normlara gre snflandrlmaktadr. TSE (Trk Standartlar Enstits) ve Alman (DIN) standardna gre dkme demirlerin snflandrlmas Tablo 2.3 ve Tablo 2.4de verilmektedir. Burada DDK sembol dkme demir kresel grafit anlamna gelmektedir. Tablo 2.3: TSE standardna gre kresel grafitli dkme demirlerin snflandrlmas [10].Ksa Gsterilii DDK 40 DDK 50 DDK 60 DDK 70 DDK 80 DDK 35.3 DDK 40.3 ekme Dayanm, kg/mm2 42 50 60 70 80 35 40 Akma Dayanm, kg/mm2 28 35 40 45 50 22 25 Kopma uzamas, % 12 7 3 2 2 22 18 Sertlik, HB 140201 170241 192269 229302 248352 Mikroyap Daha ok ferritik Ferrit + Perlit Perlit+Ferrit Daha ok Perlitik Perlitik Ferritik Ferritik

(-) Darbeli almas ngrlen tiplerdir.

Tablo 2.4: DIN standardna gre kresel grafitli dkme demirlerin snflandrlmas [11].Ksa Gsterilii GGG40 GGG50 GGG60 GGG70 GGG80 ekme Dayanm, kg/mm2 40 50 60 70 80 Akma Dayanm, kg/mm2 25 32 38 44 50 Kopma uzamas, % 15 7 3 4 2

6

2.2. Kresel Grafitli Dkme Demirlere Uygulanan Yzey Sertletirme lemleri Kresel grafitli dkme demirlerin yzey sertletirme ilemleri alev, indksiyon veya lazerle tavlama ve sertletirme, nitrrleme ve borlamadan meydana gelmektedir. i) Alev, indksiyon veya lazerle yzey sertletirme Bu yntemler ok ksa srede stma salanabilmesi sebebiyle, GGG-70 ve GGG-80 tipi perlitik kresel grafitli dkme demirler tercih edilmektedir. Ferrit iermeyen kresel grafitli dkme demirler, kolayca su alabilme kabiliyetine sahip olduklarndan dolay tamamyla sertlememesi iin stenitleme scaklnda ok ksa tutulurlar. ii) Nitrrleme Nitrrleme, kresel grafitli dkme demirlerin paralanm amonyak ierisinde 23 saat tutulmas ile gerekletirilir. Bu ilem sonucunda, 60 HRC sertlik elde edilebilmektedir. lem sonrasnda, kresel grafitli dkme demirlerin 108 devire kadarki yaplan yorulma deneyleri sonucunda gstermi olduklar yorulma direnleri, 172210 MPadan 276289 MPaya ulamaktadr. iii) Borlama Kresel grafitli dkme demirlerin borlanmas, 7501000C arasnda kat, sv veya gaz ortamda 1-10 saat sre ile gereklemektedir. Borlanm dkme demirler, eliklerden daha dk srtnme katsaysna sahiptir. Yzey sertlii ise, FeB ve Fe2B fazlar sebebiyle, 12002000 HV arasndadr. Tekstil makinalarnn dramlarnda, hareketli makine paralarnda, kollarda ve birok kalpta, yzeyi borlanm kresel grafitli dkme demirler kullanlmaktadr [13]. 2.3. Kresel Grafitli Dkme Demirlerin Kullanm Alanlar Kresel grafitli dkme demirlerin, dier dkme demir ve eliklere gre avantajlar nedeniyle, kullanm alanlar ve retim miktarlar her geen gn biraz daha artmakta olup, en yaygn kullanm otomotiv ve mimari uygulamalarndadr. rnein, krank milleri, n teker destek kollar, direksiyon balantlar, fren diskleri, motor balant rotlar, g iletim balantlar ve manifoltlar iin yksek gvenlik valfleri saylabilir. Kresel grafitli dkme demir boru endstrisi, dier en byk kullanm alann tekil etmektedir. Ayrca, madencilik ve metalurji sektrnde, krc gvdelerde, scak hadde merdanesi, kalp, ergitme ve curuf potalarnda da kullanlmaktadr [8,11]. 7

3. STEMPERLEME ISIL LEM 3.1. stemperleme Isl lem Sreci Geleneksel stemperleme prosesinde dkm malzeme 850-950oC scaklk aralnda tamamen stenit () matris elde edilene kadar yeterli sre (genellikle 12 saat) bekletilir. Bunun ardndan 250-400oC scaklk aralna hzla soutulur ve seilen scaklkta 14 saat sreyle bekletilir, daha sonra oda scaklna havada soutulur. Kresel grafitli dkme demirlerde gerekletirilen stemperleme sl ileminin asl amac, yksek karbonlu stenitin elik ettii, karbrsz ferritten meydana gelmi asikler (beynitik) bir matriks yaps oluturmaktr [2]. stemperleme iki basamakl bir sl ilemdir. lk aama stenitleme aamasdr. stenitleme ilemi 20 dakika ile 4 saat arasnda deien bir srede gerekletirilmektedir [1]. Bu aamada, 850950Clik bir scaklk aralnda dkm matriks tamamen stenite dntrlr. stenitin karbon miktar stenitleme scakl ve kresel grafitli dkme demirin bileimine baldr. stemperleme ileminin ikinci aamas, 250400C arasnda deien bir scaklk aralndaki stemperleme scaklna abuk soutma ve bu scaklkta 1 ile 4 saat arasnda deien bir sre tutmaktr [15]. abuk soutma izotermal bir tuz banyosuna hzl bir ekilde daldrlarak gerekletirilir [16]. allan scakla bal olarak stemperleme ilemi, yksek karbonlu bir stenit iinde beynitik ferrit ya da beynitik ferrit karbr matriks yaps meydana getirir. Karbon seviyesi, steniti termal olarak kararl hale getirmeye yetecek kadar yksektir. Bu yzden stemperleme ileminin sonundaki havada soutmada stenit kalnt stenit olarak kalr [15]. stenitleme scaklndan stemperleme scaklndaki izotermal tuz banyosuna gei, perlitik ve ferritik dnme meydan vermeyecek kadar hzl olmaldr [2]. Alamsz kresel grafitli dkme demir, perlit dnmn nlemek iin yaklak 20 saniye iinde stenitleme scaklndan stemperleme banyosuna aktarlmaldr. %0.5 Mo bu sreyi 2 dakikaya, %5 Mo ve %2,37 Ni ilavesi ise 10 dakikaya kartmaktadr. Bylece daha kaln paralar stemperlenebilir. 8

Kresel grafitli dkme demirin stemperlenmesi sonucu elde edilen beynit yaps ile eliklerdeki izotermal tavlama ya da srekli souma ile elde edilen beynit yaps farkl dnm srelerinin sonucunda meydana gelirler. eliklerden elde edilen beynit yaps, martenzit ve perlit oluum scaklklar arasnda meydana gelmektedir. Buna gre eliklerde alt beynit ve st beynit olarak iki ayr beynit yaps tanmlanmtr. Alt ve st beynit yaplar arasndaki esas farkllk, her iki yapnn oluum scaklklar ile ferrit ve karbr faznn konumundan ileri gelir. Alt beynit, martenzit dnm scaklna yakn scaklklarda olumaktadr ve sementit, ferrit tabakklarnn iinde bulunmaktadr. Ayrca alt beynit yapsnda -karbr gibi karbrlerde bulunur. st beynit yaps ise perlit oluum blgesine yakn scaklklarda meydana gelir ve sementit, ferrit tabakklarnn arasnda bulunmaktadr. Ferrit ve sementit fazlarnn beynit iinde bulunma ekline bal olarak alt beynit tok, st beynit ise gevrek karakterdedir [16]. Kresel grafitli dkme demirin stemperlenmesi sonucu oluan beynit yaps ise iki aamal bir dnm srecinin rndr. Kresel grafitli dkme demirin izotermal banyoda tutulmas esnasnda oluan beynitik yap, elikte oluan beynit yapsndan farkl olmas asndan (eliklerdeki beynitik yap sementit ieren ferrit tabakalarndan oluur) ausferrit olarak isimlendirilir ve iki aamal bir dnm srecinin rn olarak stemperleme scaklk aralnda meydana gelir. Bu aamalar unlardr: 1. ou zaman beynitik ferritin, ferrit-kre (matriks-nodl) ara yzeyinde ekirdeklemesi ve daha sonra, 2. Kkl byk lde stemperleme scaklnn bir fonksiyonu olan beynitik ferritin stenit iinde bymesi. Beynitik ferritin bymesi esnasnda ferrit tabakklarnn bnyesindeki karbonun bir ksm stenite doru yaynr. Sonuta artan stemperleme sresine bal olarak, stenit karbonca zenginleir ve bylece kararll ykselir. Karbonca zenginlemi stenit, yksek karbonlu stenit olarak bilinir [2,16]. ekil 3.1, stemperlenmi kresel grafitli dkme demirlerin retimini belirten bir ilem dizisi ile birlikte, kresel grafitli bir dkme demir iin IT (zotermal Dnm) diyagramn gstermektedir. ekilde, Ms scaklnn hemen zerindeki bir izotermal ilem sonras oluan beynit yaps alt beynit, perlitik dnm scaklnn hemen altnda ve alt beynit oluum scaklndan daha yksek bir scaklkta oluan yap ise st beynit olarak adlandrlr [16,17].

9

ekil 3.1: Kresel grafitli bir dkme demirin izotermal dnm (IT) diyagram [17]. zotermal dnm takip eden mikroyap byk lde stemperleme scakla TAya baldr [18]. Yaklak 330 oCnin altndaki (240330 oC scaklk aral) dk bir stemperleme scakl TA, stenitin ok ar soumasna ve karbonun difzyon hznn dk olmasna sebep olur. Bu yzden, beynitik ferritten stenite doru yaynan karbon miktar ok azdr ve karbonun geri kalan ferrit tabakklarnda sementit (Fe3C) olarak kelir (ekil 3.2a)[2]. Sonuta, ferrit tabakklarnn ekirdekleme hz, ferrit tabakklarnn byme hzndan daha yksek olduu iin 240330 oC scaklk aralndaki izotermal dnm alt beynit olarak bilinen yapy ortaya kartr. Bu yap, her ne kadar beynitik ferrit ve yksek Clu stenitten ibaret olarak kabul edilse de, ok dk oranda martenzit iermektedir [18]. Maksimum tokluun elde edildii artlarda %10 ile 20 orannda yksek karbonlu stenit ihtiva eder [11]. Benzer ekilde, komu ferrit tabakklarnn arasnda oluan ine eklindeki yksek karbonlu stenit blgesi de ince bir grnmdedir [16,18].

10

330400 oC scaklk aralnda deien daha yksek stemperleme scaklklarnda karbonun difzyon hz bir nceki duruma gre (stemperleme scakl TAnn 240 330 oC arasnda deitii durum) olduka yksektir ve bylece karbon byyen ferrit tabakklarndan stenite doru hzla yaynabilir. Bu durum, zellikle byyen ferrit tabakklar arasndaki stenitin karbonca zenginlemesine sebep olur[24]. stemperleme scaklnn ykselmi olmas, martenzit orann drrken kalnt stenit miktarn arttrr [19]. Btn bu deiiklikler hep birlikte st beynit yapsnn olumasna sebep olur (ekil 3.2b) [2,19]. Dnm sresi ilerledike, stenitin karbon miktar artar ve beynit reaksiyonunun itici gc azalr. Bu esnada yapda bulunan yksek silisyum miktar (%23 Si), karbr oluumunu engeller [17]. Ayrca, yksek karbon oran Ms(martenzit balang scakl) scakln drr ve bu yzden ortam scaklna souma esnasnda stenit kararl bir surumdadr. st beynit yapsnda, stemperleme scakl TA 330440 oC aralnda bir deer ald iin nihai mikroyap, alt beynit yapsna gre daha kaba ve karbrsz ferrit tabakklar ve kalnt stenit yapsndan ibarettir [18]. Yksek karbonlu stenit, ktlesel bir ekle sahiptir (blocky austenite), yap rasgele dalm durumdadr ve maksimum tokluu elde edildii artlarda %45 orannda bulunduu bildirilmitir [16,18].

(a)

(b)

ekil 3.2: (a) Alt beynit (250-330C) ve (b) st beynit (330-400C) oluum mekanizmas [2]. 330400C arasnda stemperlenen ve st beynit yaps gsteren bir kresel grafitli dkme demir para ise, yksek sneklik ve toklukla ilikili olarak nispeten yksek mukavemet, orta derecede bir sertlik deeri gsterir. Maksimum anma direnci ve deformasyon sertlemesi, ortamda yksek miktarda kalnt stenit olduunda, yani st beynit yaps gsteren bir malzemede grlr [1].

11

stenit karbon bileimi Fe-C denge diyagramndaki maksimum karbon znrl oranna (%1.72) ulatnda yksek karbonlu stenit, ferrit ve karbre ayrr. Sonu olarak kresel grafitli dkme demirlerde izotermal ilem srasnda meydana gelen dnmler stemperleme zamanna bal olarak iki aamal bir reaksiyon ile meydana gelmektedir [11]. stemperleme ilemi esnasnda mikroyapda meydana gelen deiimler, bir alt beynit yapsnn (ekil 3.2a) ve bir st beynit yapsnn (ekil 3.2b) deien stemperleme scaklna bal olarak ortaya kmasn salar [19]. Birinci aamada (numunen izotermal ilem banyosuna daldrlmas ile balamtr), dk karbonlu stenit, yksek stemperleme scaklklarnda beynitik ferrit () ve yksek karbonlu stenite (yk) dk stemperleme scaklklarnda ise beynitik ferrit/karbr ve yksek karbonlu stenite dnr. stemperleme ileminin birinci aamas,

+ yk ...................................................... (3.1)eitlii ile ifade etmek mmkndr [2]. Bu ilem sresinin artmas ile daha sonra I. aamada oluan yksek karbonlu stenit, stemperleme prosesinin II. aamasnda,

yk + Fe3C (karbr ) ................................. (3.2)reaksiyonu gereince termodinamik olarak daha kararl ola ferrit ve karbre (Fe3C) ayrr [20]. I. aamann sonunda ferrit oluumundan dolay, stenit karbonca doyar ve oda scaklna souma srasnda martenzite dnemeyecek kadar kararl bir hal alarak tam stemperlenmi kresel grafitli dkme demir yapsn oluturur. Oysa I. aamann herhangi bir yerinde stemperleme ilemine son verildiinde (yani stemperleme sresi azaltldnda) yapdaki stenit henz karbonca doygunlua erimedii iin oda scaklna souma srasnda martenzite dnecektir. I. aama sonunda ortaya kan mikroyap, karbrsz ferrit ve yksek karbonlu stenitten ibarettir. (Kovacs tarafndan I. aama rnleri ausferrite olarak adlandrlr) [16,17].

12

I. aamada martenzitin mevcudiyeti ve II. aamada ise rn olarak karbrn olumas mekanik zelliklere zararldr [19,20]. Karbr oluumun zellikle mukavemet, sneklik ve tokluu drmesinden dolay II. aama rnleri kullanl deildir [16]. Maksimum mekanik zelliklere, yapda %6080 orannda beynitik ferrit ve %2040 orannda kalnt stenit olduunda ulalmaktadr. Balangta oluan ferrit tabakklarnn says, ekli ve boyutu I. aama ile belirlenir. Dolaysyla, faydal nihai mikroyapy kontrol edebilmek ve arzulanan zellikleri elde edebilmek iin I. kademeyi kontrol etmek gerekir. Bu kademenin kontrol, seilen stemperleme scaklnda stemperleme sresinin kontrolyle gerekleir [19]. 3.2. stemperleme Srecini Etkileyen Parametreler stemperleme sl ilemin kresel grafitli dkme demirler zerindeki baarl uygulamalar, bu malzemelerin pek ok alanda kullanmn yaygnlatrmtr. stemperleme sl ilemin boyunca meydana gelen oluumlar konu olmu, bu aratrmalar sonunda daha mkemmel yapl stemperlenmi kresel grafitli dkme demir retmek mmkn olmutur. stemperleme, dkmden sonra sl ileme ok iyi kalite ve ilem kontrol gerektiren bir sretir. Dkmn kalitesi, alam elementlerinin segregasyonu, stenitleme sresi ve scakl, stemperleme sre ve scakl ileme tabi tutulan malzemenin boyutlar stemperlemeyi etkileyen parametrelerdendir. 3.2.1 Kresel Grafitli Dkme Demirlerin Dkm Kalitesi stemperleme sl ilemine tabi tutulacak olan kresel grafitli dkme demir malzeme, ne kadar temiz ve homojen olursa, sl ilem artlarnn etkisini kontrol etmek ve sonuta elde edilecek mekanik zellikleri iyiletirmek o kadar kolay olur. Kresel grafitli dkme demir malzemenin katlamas sonrasnda Cr, P, Mn ve Mo elementleri tane snrlarna segregasyona neden olurlar [21]. Kesit kalnlatka souma hz decei iin segregasyon artar. Yapda fosfor miktar oksa fosfr/karbr kompleksinin artmas ve martenzit oluumunun tevik edilmesi sz konusu olur. Bu olay zellikle snekliin azalmasna v engel mekanik zelliklerin ktlemesine neden olur [21,22]. Alam elementlerinin segregasyonu, yapdaki

13

kresel grafit saysn arttrarak azaltlabilir. Etkin bir rafinasyon ilemiyle, stemperleme sonucu zellikler iyiletirilmi olur. Kresel grafitli dkme demirin zellikleri, mikroyapsndan byk lden etkilenmektedir. Bu malzemelerde mikroyap temel unsurdan oluur:

Matris yapsnn fazlar ve dalm, Grafit tanelerinin boyutu, ekli ve says, Dkm sonras yapda oluan hatalar ( karbrler, segregasyonlar, mikro gzenekler vs.)

Kresel grafitli dkme demirlerde, grafitin ekli nedeniyle darbe etkisi ve yorulma dayanc gri dkme demirlere ve dier grafitli dkme demirlere gre daha yksektir. Matris yapnn ierii mekanik zellikler zerinde ok byk etki yapar. Bu nedenle alam elementlerinin yapda homojen olarak bulunmas ve segrege olmamas istenir. Yaplan aratrmalar bu konuyu destekler niteliktedir. Alam elementi ieren demir-karbon sistemlerinde, bir taraftan sv fazdan kat faza gei srasnda gerekli enerjiye ihtiyac, dier taraftan karbonun termodinamik aktivitesiyle alam elementlerinin Buna arasndaki iliki, alam elementlerinin tm alam segregasyonunu arttrr. ramen katlama srasndaki

elementlerinin segrege olacan kabul edemeyiz. Fakat segregasyonun balamas hem katlama srasnda hem de sv faz iinde sv ve kat zelti arasndaki dengenin termodinamiine baldr [21]. 3.2.2. stenitleme ve stemperleme Parametrelerinin Etkisi Kresel grafitli dkme demirlere beynitik mikroyap kazandrmak amac ile yaplan, stenitleme ve stemperleme koullarnn kresel grafitli dkme demirlerin mikroyaps zerindeki etkileri aada belirtilmitir. stemperleme ileminin ilk adm olan stenitleme, kresel grafitli dkme demir malzemenin 850 oC zerindeki scaklklarda (850 oC ile 950 oC arasnda), dkm halindeki matriks yapsnn, stenit iinde grafit krecikleri ve niform karbon ieriine sahip bir yapya tamamen dnnceye kadar tutulmasn ierir. stenitleme scaklnda meydana gelen herhangi bir artma ya da azalma, stemperleme safhasnda, zellikle dnmn itici gc zerine etki ederek mekanik zelliklerin belirlenmesinde etkisi bir rol oynar.

14

stenitleme scaklnn drlmesi, I. aama reaksiyonu iin itici gc arttrr ancak, II. aama reaksiyonu zerinde ok kk bir etkisi vardr. Sonuta ilem (proses) aral daha geniler. Bu yzden, segregasyon blgelerinde, I. aama reaksiyonunun yavalatlmas ile daha yksek stenitleme scaklklarnda kapanm olan ilem (proses) aral, stenitleme scaklnn drlmesi ve mekanik zelliklerdeki olumlu gelimeler ile beraber yeniden alr. stelik stenitleme scaklnn drlmesi ile ilem aralna daha ksa stemperleme sreleri sonucunda ulalr ve stemperlemeden sonra elde edilen mikroyap daha kararldr ve daha az martenzit ihtiva eder (ekil 3.3). stenitleme scakl ve sresi arttka sertlik artar. Daha yksek stenitleme scakl ve sresinin stenit oluumunu hzlandrd, stenit tanelerinin bymesine ve stemperleme srecinde daha uzun beynitik ferrit tabakklar ve kaba bir mikroyapnn olumasna neden olaca ynnde bulgular vardr [16].

a) b) c) d)

stemperleme srecinde oluan normal bir ilem aral, Alam elementlerinin segregasyon etkisiyle genilemi ilem aral, Alam elementlerinin segregasyon etkisiyle kapanm ilem aral Farkl etkilere ilem aralnn deiimi. Geni bir ilem aral, .. Alam segregasyon etkisiyle kapanm bir ilem aral, ----- Dk stenitleme scakl etkisi ile yeniden alm ilem aral

ekil 3.3: Yksek karbonlu stenit orannn stemperleme sresine bal olarak deiimi [16]. 15

stenitleme scakl ykseldike, stenit iindeki karbon znrl artar ancak stenit reaksiyonu hz tm stemperleme prosesi boyunca der. [16,17,23]. stenitleme scaklnn azaltlmas ise stemperleme scaklklarnda dnm hzn ykseltir [23]. stenitleme scaklnn azaltlmas I. aama reaksiyonu iin itici g arttrmas, ekil 3.4te verilen ematik Fe-C faz diyagram ve ferrit (), ve stenit () ve sementit (Fe3C) fazlar iin serbest enerji erisinden grlebilir [24]. tici gcn artmas daha hzl dnme yol aan daha fazla ekirdein olumasn salar. Bunun sonucunda beynit oluumu artar ve byyen ferrit tabakklarndan stenite daha fazla karbon atlr [11]. ekil 3.4 stemperleme srasndaki dengeyi ve yararl dengeyi kontrol eden termodinamik parametreleri gstermektedir. stenitleme ilemi 850950o

C

arasndaki bir scaklkta dkm halindeki yapnn, stenit iinde grafit krecikleri ve niform karbon ieriine sahip bir yapya tamamen dnnceye kadar tutulmas ile gerekleir [23]. stenitlemeden sonra, stenitin karbon miktar, ardk olarak stenitleme scaklklar T1 ve T2 iin denge deerleri olarak C1 ve C2 eklinde tanmlanmtr. I. aama reaksiyonu iin itici g, serbest enerji fark A1-B1 ile tanmlanmtr [24].

ekil 3.4: ematik Fe-C-Si faz diyagram ve ferrit(), stenit() ve sementit(Fe3C) fazlar iin serbest enerji erileri [24].

16

Yar kararl steniti sl olarak kararl klacak ve oda scaklna souma esnasnda martenzit oluumunu engelleyecek karbon miktar %1.9-%2.1 arasnda deimektedir [23]. stenitleme scakl ykseldike yar kararl steniti dengeleyecek bu karbon oran azalr. Bylece, yksek scaklklarda stenitlenmi numunelerin %1.9-%2.1 arasnda deien bu orana ulaarak sl olarak kararl hale gelmesi daha ksa srede gerekleir. Bu da II. aama reaksiyonun daha ksa zamanda olumas demektir [11]. stemperleme scakl, nihai mikroyapnn birinci belirleyicisidir. stemperleme scakl ve sresi, beynit oluum morfolojisinin yan sra matriksteki toplam karbon miktarnn, martenzit oluumunu ve yksek karbonlu stenit miktarn etkiler. [16,17]. lem aral daraldnda ya da kapal olduunda stemperleme sresi nem kazanr. Martenzit oluumu, dk stemperleme scaklklarnda ve ksa izotermal ilem srelerinde daha fazladr. stemperleme sresinin ok ksa olduu durumlarda, dnmemi stenit ihtiva ettii dk karbon miktar yznden havada souma srasnda martenzite dnmeden kalr [16]. stemperleme sresi daha da fazla artt zaman, yksek karbonlu stenit beynitik ferrit ve karbre ayrr. Sonuta, stemperleme sresi arttka martenzit miktar azalr ancak, beynitik ferrit ve kalnt stenit miktarlar artar. Yksek karbonlu stenit miktar, stemperleme sresindeki artn balangcnda maksimuma ularken stemperleme sresindeki art devam ettike, bu maksimum deerden azalma gsterir [11]. Maksimum mekanik zeliklere, yapda %6080 arasnda beynitik ferrit ve %2040 kalnt stenit olduu durumda ulalr [19]. Alt ve st beynit yaplarnn stemperleme scaklna bal olarak ortaya kmasnn dnda, stemperleme scakl, I. ve II. aama reaksiyonlarnn oluum hzn da etkiler [16]. Beynit oluumunun balangc olan I. aamada ferritin stenit tane snrlarnda ve grafit krelerinin etrafnda ekirdeklemesi esnasnda, iindeki karbonu difzyon ile dar atarak steniti zenginletirmesi optimum zelliklerin elde edildii bir yapy ortaya kartr. Optimum zelliklerin elde edildii bu yapnn kontrol ancak I. aama reaksiyonunun kontrol ile mmkndr. Bu noktada, I. aama reaksiyonunun hzn belirlemede stenitlenmi karbon oran (Co) ile stemperlenmi matriksin karbon oran (Cmaks) arasndaki fark nemli bir faktrdr. Buna gre (Cmaks- Co) arasndaki oran artarken I. aama reaksiyon hz artmaktadr. Bu deer azaldnda ise yapdaki dnmemi stenit miktar artmaktadr. Co deeri

17

(stemperlenmi matriksin karbon oran) stemperleme scakl ile Cmaks deeri de (stemperlenmi matriksin karbon oran) stemperleme scakl ile kontrol edilir. stenitleme scakl arttka stenitlenmi matriksin karbon oran Co artar.(Tablo 3.1), buna karlk stemperleme scaklnn artmasyla birlikte, stemperlenmi matriksin karbon oran(Cmaks) azalmaktadr (ekil 3.5) ve karbonun difzyonu daha hzldr [11]. Tablo 3.1: stenitleme scaklna bal olarak stenitlenmi stemperlenmi (Cmaks) matriksteki dengesel karbon oran[11].stenitleme Scakl, C 850 900 950

(Co)

ve

Co0.73 0.87 1.05

Cmaks2.29 2.26 2.11

ekil 3.5: Yar kararl /+ snrlaryla, martenzit balama ve biti scaklklarn gsteren FeC-Si (arlka %2.5 Si) denge diyagram [11]. Alt beynit morfolojisinin etkin olduu dk stemperleme scaklklarnda ise stenitteki maksimum karbon znrl (Cmaks) fazla ve karbonun difzyon hz dktr. Fakat ferritin ekirdeklenme hz yksek olduundan, difzyon mesafesi klecek ve I. kademe reaksiyonunun hz artacaktr. Sonu olarak I. kademe reaksiyonunun hz, yksek scaklklarda difzyon hzyla, dk stemperleme scaklklarnda ise difzyon mesafesi ile kontrol edilmektedir [11]. II. aama reaksiyonda ise, II. aama reaksiyonun hz, stemperleme scaklna olduu kadar kresel grafitli dkme demirlerin bileimine de gl bir ekilde baldr. II. aama esnasnda, yksek karbonlu stenit beynitik ferrit ve karbre

18

ayrt iin, stemperleme scakl azaldka karbr oluumu daha uzun bir stemperleme sresi gerektirir. Bu nedenle, mekanik zelliklerde stemperleme sresi ile meydana gelen deiiklikler yava yava meydana gelmektedir [19]. Fazlar kuralna gre [16]:X =

(C

(C

o

C

)

maks

C

) ............................................ (3.3)

olmaktadr. Burada, X , X: stenitin hacim oran (%)Co ,

stenitlenmi matriksin karbon oran (%) C: Ferritin karbon oran (%) , stemperlenmi matriksin karbon oran (%) lemin herhangi bir anndaki stenitlenmi matriksin karbon oran (%) olarak

C ,Cmaks

C ,

tanmlanmaktadr [16]. Yksek stemperleme scaklklarnda Cmaks (stemperlenmi matriksin karbon oran) deerinin klmesine bal olarak X (stenitin hacim oran) deeri artar, dk stemperleme scaklklarnda ise stenitin hacim oran azalr [16]. C. X arpm stenit fazndaki toplam karbon orann verir. Bu deer, Co deerine eit olmaldr. stemperleme ilemi srasnda karbonun bir ksm yapda karbr olarak veya ferrit faznda ar doymu durumda ise, C. X< Co olacaktr. ekil 3.6da az alaml bir dkme demirin 371 oC ve 427oCde stemperlenmesinde C. X arpmnn yaklak 0.8 deerine eritii grlmektedir. Oysa 316 oCde stemperleme ileminde bu arpm yaklak 0.5 deerinde kalmtr. Bylece 371 oC ve 427 oCde ok az veya hi karbr olumad anlalmaktadr.

ekil 3.6: 927 oCde stenitlenmi bir kresel grafitli dkme demirde eitli stemperleme scaklklar ve srelerinde X.C ilikisi [11]. 19

427 oCde X. C (stenit fazndaki toplam karbon miktar) ifadesinin yaklak 0.8 deerinde maksimuma ulamas ve II. kademe reaksiyonunun tamamlanarak sfra doru dmesi ok ksa bir srede, 371o

C de ise daha uzun bir srede

gereklemektedir. Dolaysyla, stemperleme scaklnn artmasyla II. reaksiyonun hznn artt ve reaksiyonun ok ksa bir srede tamamland sylenebilir [11]. Veriler, kalnt stenit miktarlarnn stenitleme scakl ile stemperleme scakl ve zamanna gre bamllk gsterdiine iaret etmektedir. Ancak bamlln ls malzemenin bileiminde kullanlan bakr yzdesi ile de deimektedir. Bu nedenledir ki, her snf malzemenin davranlarna gre ayr ayr olarak daha sonra da malzemeler arasnda genel bir iliki arayna ynelerek inceleme yntemi tercih edilmitir. Hemen hemen her stemperleme zaman iin, kalnt stenit miktar 300 oCde bir minimum deere dmekte ve daha sonra ise stemperleme scaklyla birlikte arta geerek 350o

Cde stemperleme scaklnda bir maksimum deere

ulamaktadr. stemperleme scaklnn daha da arttrlmas karsnda bir kalnt stenit yzdesinin ani bir ekilde azald gzlemlenmektedir. Ayrca herhangi bir art altnda llen kalnt stenit miktarnn stenitleme scaklna da bal olduu anlalmaktadr. stenitleme scaklnn 850 oCden 900 oCye ykseltilmesiyle birlikte kalnt steniti miktarnda da nemli bir art llmektedir. rnein, 850Cde stenitlenmi ve 250C ve 350Cde stemperlenmi bir malzemenin kalnt stenit miktar zamana bal olarak srasyla, %1931 ve %3438 aralklarnda deimekte iken 900Cde stenitlenmi ve 250C ile 350Cde stemperlenmi dkme demirin kalnt stenit miktarnn srasyla, %3848 ve %38 50 aralklarnda deitii gzlemlenmektedir [29]. 3.2.3. Alam Elementlerinin Etkisi stemperlenmi kresel grafitli dkme demirin mikroyaps ve mekanik zellikleri, kimyasal bileimi ile yakndan ilikilidir [25]. Alam elementleri ile dkme demirin basit kalnl arasnda basit bir iliki vardr. nk alamsz kresel grafitli dkme demirlerin stemperlenebilirlii (sertleebilirlii) zayf olduu iin kullanmlar ince kesitler iin snrlandrlmtr [19]. Alam elementleri hem sertleebilirlii arttrmak hem de stemperlenmi kresel grafitli dkme demir malzemeleri ekonomik adan daha etkili klabilmek iin dk oranda kresel grafitli dkme demir yapsna katlr.

20

Alam elementlerinin dk oranda kresel grafitli dkme demir yapsna katlmasnn sebebi, sadece yeterli sertleebilirlik (stemperlenebilirlik) hedeflenmesidir. nk alamlamann ar oranda yaplmas daha yksek stemperleme srelerini gerektirir. Kaln kesitli bir dkm sz konusu olduunda alam elementlerinin ilavesi, sl ilem esnasnda stenitleme scaklndan stemperleme scaklna soutulurken, kresel grafitli dkme demirin perlit oluumundan saknlabilecek ekilde yeterli sertleebilirlie ulaabilecei seviyede olmaldr. lave alam elementlerinin beyniti dnm zerinde hibir ters etkisi olmamaldr [26,27]. Kresel grafitli dkme demirlerin dnm srasnda yapda perlit olumakszn stemperlenebilmeleri stemperlenebilirlik olarak adlandrlmtr. Voigt ve Loper isimli bilim adamlar tarafndan yaplan almalar sonucunda, baarl bir stemperleme iin, kresel grafitli dkme demir paralarn kritik ap (Dc) deerlerinin hesaplanmasnda aadaki eitliin kullanlabilecei sonucu ortaya kmtr [28]:Dc = 124Co + 27(% Si ) + 22(% Mn ) + 16(% Ni ) + 25(% Mo ) 1.68 x10 4 T A2+ 2(%2Cu )(% Ni ) + 62(%2Cu )(% Mn ) + 88(% Ni )(% Mo ) + 11(% Mn )(%Cu )+ 127(% Mn )(% Mo ) 20(% Mn )(% Ni ) 137 ................................................... (3.4)

Burada, Dc , Kritik ap veya kesit kalnl (mm),Co , TA ,

stenitleme scaklnda matriksin karbon bileimi (%), stemperleme scakl (oC) olarak verilmitir.

stenitlenmi matriksin karbon ierii (Co) deeri, stenitleme scakl (T) ve kresel grafitli dkme demirin kimyasal bileimine baldr [28]. Eitlik 3.4den de grld gibi, alam elementi ilavesi genel olarak kritik ap dolaysyla kresel grafitli dkme demirin stemperlenebilirliini arttrma eilimindedir. Bu etki, TTT diyagramnn saa doru kaymas, dolaysyla stenitleme scaklndan stemperleme scaklna souma srasnda perlit oluumuna izin vermeyecek kritik souma hznn artmasyla aklanabilir [16]. Alam elementlerinin ilavesi (nikel, bakr ya da molibden), beynit iinde nemli morfolojik deiikliklere sebep olmaz. Herhangi bir stemperleme scakl iin

21

mukayese yapldnda, alamsz kresel grafitli dkme demirlerde olumu beynitin morfolojisi ile alamsz kresel grafitli dkme demirlerde olumu beynitin morfolojisi arasnda byk bir fark vardr. Alam elementlerinin ilavesi, hi phesiz beynit morfolojisini deitirir. Ancak, alamlamaya devam edilirse (ar alamlama) martenzit (ksa stemperleme sreleri iin) ya da dnmemi (reaksiyona girmemi) stenit hacmi (UAV) gibi heterojenlie sebep olur [26]. Kresel grafitli dkme demir bileiminde genelde bulunan elementlerden bazlarnn stemperleme sl ilemine etkileri aada detayl ekilde incelenmitir. Karbon: stenen katlama artlarnn salanabilmesi iin kresel grafitli dkme demirlerde bileimi genellikle %3.6dan daha az oranda bulunur. Karbon orannn artmas kresel grafitlerin hacim orannn artmasna neden olurken mekanik zellikleri olumsuz ynde etkiler [16]. Silisyum: Si miktar arttka bir kresel grafitli dkme demirin stemperlenebilirlii asndan nemli olan kritik ap (Dc) deeri artar. Silisyum miktarndaki %0.3lk bir art Dcyi 7.6 mm arttrr. Silisyum miktar yaklak %2.7 deerini atnda, stenit hacim oran (X) deeri azalr. Silisyum, belirli bir stenitleme scaklnda stenitteki karbonun znrlln drr [28]. stenitleme srasnda dnm hzn azaltr [25]. stemperlenmi kresel grafitli dkme demir iinde, yksek kaliteli kresel grafitli bir dkme demirde bulunduu kadar bulunur (%1.8 ile %2.8 arasnda). Karbonu stenitte zndren anahtar elementtir. Yani stenit %2 kadar yksek karbona sahiptir. Bylece nihai esiz mikroyap oluur [11]. Kresel grafitli dkme demir bileimindeki silisyum, demir karbr oluum hzn azaltr, artan silisyum miktarna bal olarak, stenitten beynitik ferrit oluum hz azalr [28]. Kresel grafitli dkme demir mikroyapsnda kresel grafitlere yakn blgelerde yksek oranda bulunur [16]. Manganez: Manganez hcreler aras blgelerde youn ekilde segrege olarak bu blgelerde karbr oluumunu tevik eder ve stemperleme reaksiyonunu geciktirir [19]. Kresel grafitli dkme demir bileiminde manganez arttka, stenitteki karbon znrl ve stenitin kararll artar. stenit dnm esnasnda, karbon difzyonunu azaltr; bu, steniti zenginletirmek iin gereklidir [28]. Manganez, yapda nemli miktarda kalnt stenit kalmasna sebep olur. %0.3 ile snrlandrlr, nk daha fazlas sneklik ve tokluu drr sertleebilirlii arttrr [16].

22

Fosfor: Btn kresel grafitli dkme demirlerin snekliini drmesinden dolay istenmez [11]. Molibden: stemperlenmi kresel grafitli dkme demirler yaygn olarak kullanlan bir alam elementidir. Sertleebilirlii arttran en etkili elementtir [26]. zellikle bakr ile bu etkisi gldr. Fakat sertleebilirlie katks bakrdan on kat daha fazladr. stemperleme sresini ksaltr. Bu manganez ile molibden arasndaki en nemli farktr. zellikle kaln kesitli dkmlerde molibden karbrler oluur. Mevcut bu molibden karbrlerin etkisi, kre saysnn arttrlmas ile azaltlabilir [11]. Hcreler aras blgelerde, tpk manganez gibi gl segregasyon eilimine sahiptir. [16]. Mekanik zelliklere etkisi de manganezin etkisi gibidir. Ancak, manganezden farkl olarak, molibden steniti deil ferriti kararl yapana bir elementtir [26]. Yksek molibden seviyelerinde gl segregasyon eiliminden dolay %0.3 ile snrlandrlmaldr. Molibden miktar arttka kalnt stenitin hacim oran der[25]. Bakr: Alam elementi olarak bakr kullanmnn en nemli sertleebilirlii arttrmasdr. Beynitik dnmn II. aamasn yavalatr. Dolaysyla ilem aralnn daha genilemesine neden olur. Molibden ile birlikte kullanldnda, sertleebilirlie etkisi ikisinin ayr ayr kullanlmas durumundaki etkiden daha fazladr [26]. Alt beynit yapsnda karbr oluumunu engelledii bildirilmitir. Bu yzden artan bakr miktar ile kalnt stenitin hacim oran artar. Genellikle %1 dolaynda kullanlr. Ferritte znrln az olmasndan dolay, nadiren %1.5 orannda kullanlr [16,25]. Nikel: zellikle I. kademede olmak zere beynitik dnm hzn yavalatr. Yksek nikel orannn, segregasyon etkisine bal olarak yapnn farkl yerlerinde farkl beynitik dnm hzna sebep olaca bildirilmitir. Bu nedenle, nikelin manganez belirtilmitir gibi bir elementle birlikte kullanmnn arttrr. segregasyon En nemlisi, eilimini tokluu dengeleyecei ve sonu olarak homojen bir beynitik dnm elde edilebilecei [26]. stemperleme sresinin azaltmakszn istenen nihai mikroyap ve zellikleri elde etmek iin stemperleme scaklnda daha uzun tutma sresine imkan vererek yksek karbonlu steniti kararl klar. Krom vanadyum gibi eliklerde sertleebilirlie byk katklarda olan elementlerin ise, karbr oluturma eilimlerinde dolay dke demirlerde kullanm yaygn deildir [16].

23

3.3. stemperlenmi Kresel Grafitli Dkme Demirlerin Mekanik zellikleri 3.3.1. stenitleme Scakl ve Sresinin Mekanik zellikler zerine Etkisi stenitleme scaklnn mekanik zelliklere olan etkisi, stemperleme scaklna bal olarak ortaya kmaktadr. Darwish ve Elliott [16] tarafndan yaplan almalarda, dk stemperleme scaklklarnda alt beynit meydana geldii esnada, stenitleme scaklnn mukavemet ve sneklik zerine etkisinin yeterince nemli olmad sonucuna varlmtr. Bu sonuca benzer ekilde, st beynit blgesinde stenitleme scaklnn mukavemet zellikleri zerinde nemli bir etkisi olmad grlmtr. Ancak, artan stenitleme scakl ile uzama ve darbe direnci deerleri srekli azalma gstermitir. Sertlik de artan stenitleme scakl ile beraber azalmaktadr. Hamid ve dierleri [30] tarafndan yaplm bir dier almada ise, stenitleme scaklnn sneklik zerindeki etkisi yeterince nemli bulunmamakla beraber, yine de stenitleme scaklnda 920Cden 870Cye meydana gelen bir azalmann, sneklii arttraca ve standartta (ASTM A897M) belirtilmi olan yksek sneklie sahip stemperlenmi kresel grafitli dkme demirlerin retiminde dikkate alnmas gerektii belirtilmitir. Ayrca stenitleme scakln azaltmann ilem (proses) aralnn kapanma scakln arttrd ve kapanma noktasn daha erken stemperleme srelerine ekerek, ilem araln da daraltt yine ayn aratrmaclar tarafndan belirtilmitir. stenitleme scakl stenitin karbon miktarn, stenit tane boyutunu ve matriksin kimyasal homojenliini etkiler. Bu faktrlerin stemperleme hz zerindeki etkisi, stemperlenmi mikroyapy kontrol eder. rnein, stenitleme scaklnn arttrlmas;

stemperlenmi yapy iyiletirir. Dolaysyla beynitik ferrit tabakklarnn uzunluu artar, saylar ve dalmlarndaki dzgnlk azalr, Kalnt stenitin hacim orann arttrr, ki tip kalnt stenit yapsnn olumasna sebep olur. Komu ferrit tabakklar arasnda meydana gelen ve dk stenitleme scaklklarnda baskn durumda olan ince bir film eklindeki stenit yaps ve farkl ynlerde byyen ferrit tarafndan evrelenmi stenitle birlikte bulunan ve artan stenitleme scakl ile artan ktlesel ekilli bir stenit yaps oluur, Hcreler aras blgelerde ve ktlesel ekilli blgelerin merkezinde martenzit oluumunu arttrr. 24

stenitleme scaklnn bir sl ilem parametresi olarak nemi; zellikle yksek stemperleme scaklklar iin; dk bir stemperleme scakl seilmesinin mekanik zellikleri, zellikle sneklik ve darbe enerjisi deerlerinin arttrmasndan kaynaklanmaktadr [19]. stenitleme scaklnn artmas stenitin karbon bileimin artmasna ve

stemperleme srecinde reaksiyon hznn yavalamasna neden olmaktadr. Ayrca kresel grafitli dkme demirler yapsndaki ferrit, perlit ve grafit gibi bileenlerin miktar da stenitleme sresini etkiler. Perlitik matrikse sahip yar kararl bir sistemde (Fe-Fe3C) stenitleme sresi daha ksadr. Grafit krelerinin saysnn fazla olmas da stenitleme srecini ksaltmasna ramen, etkisi perlitik matriks kadar fazla deildir [16]. Luo ve dierleri [31], kresel grafitli dkme demirlerin abrazif anma zellikleri zerinde yaptklar bir almada, su verilmi kresel grafitli dkme demir ve eliin anma performanslarnn yksek stenit scaklklarnda stenitlendiklerinde daha iyi olduu belirtilmitir. 3.3.2. stemperleme Scakl ve Sresinin Mekanik zellikler zerine Etkisi Hem stenitleme scakl, hem stemperleme scakl hem de stemperleme sresinin stemperlenmi kresel grafitli dkme demirlerin mekanik zellikleri zerinde etkisi vardr. Ancak stenitleme scaklnn mekanik zellikler zerindeki etkisi stemperleme scakl ve sresine bal olarak ortaya kmaktadr. Dolays ile, stemperleme scakl ve sresinin mekanik zellikler zerindeki etkisi, stenitleme scaklna gre daha nemli olmaktadr. nceden seilmi stemperleme ve stenitleme scaklklar iin mekanik zelliklerin optimum seviyeye getirilebilmesi iin stemperleme sresinin doru seilmesi gerekir. Benzer ekilde, stemperleme scaklnn doru seimi de retile stemperlenmi kresel grafitli dkme demirlerin snfn belirtmesi asndan nemlidir [19]. nceden bilindii zere, stemperleme sl ilemi 250400C arasndaki bir scaklkta yaplr. Yaklak 330C nin altndaki scaklklarda elde edilen yap alt beynit, 330Cnin zerindeki scaklklarda elde edilen yap ise st beynittir. Alt beynit yaps yksek mukavemetli sert bir yap iken, st beynit yaps nispeten daha az mukavemetli fakat daha snek ve daha tok bir yapdr.

25

Dk stemperleme scaklklarnda oluan alt beynit yaps yksek mukavemet gstermektedir [16,19]. Pek ok faktr, bu yksek mukavemet dislokasyon hareketlerinin engelleyerek yardmc olmaktadr. Bu faktrler unlardr:

nce yapl ferrit inecikleri, Ferrit ierisinde kelen karbrler ve dk seviyelerde kalnt stenit, Yksek dislokasyon younluu ve Karbonca ar doymu ferritin kafes distorsiyonudur.

ne benzeri alt beynit morfolojisi, karbrler, dk seviyelerdeki kalnt stenit ve dnmemi stenitten kaynaklanan az miktardaki martenzit, dk stemperleme scaklklarnda grlen dk sneklie sahip olurlar. Ghaderi ve dierleri [32], yaptklar almada, ayn stemperleme ve stenitleme scaklnda artan stemperleme sresi ile sertliin dtn tespit etmilerdir. stemperleme scakl ykseldike (scaklk 330450C aralnda bir deer ulatnda), martenzit miktar azalr ve kalnt stenit miktar artar ve alt beynit morfolojisi st beynit morfolojisine dnr. st beynit yaps, kaba, przsz ve ferritik-stenitik bir yap olup, alt beynit yapsna gre daha byk hacim iinde kalnt stenit ihtiva eder ve azalm bir mukavemete karlk artm bir sneklie ve toklua sahiptir. Yksek stemperleme scaklklarnda ilem aral kapalyken, sneklik ve tokluk hzl bir ekilde derken mukavemet neredeyse sabit kalr. Yine yksek stemperleme scaklklarnda, I. aama reaksiyonu iin itici g azalrken II. aama reaksiyonu iin itici g artar ve sonuta mukavemette biraz dme olur. [19,30]. ekil 3.7de stemperleme scaklnn mekanik zelliklere etkisi grlmektedir. stemperleme sresinin seimi ok nemli bir parametredir. stemperleme sresi, belirli stenitleme ve stemperleme scaklklar iin mekanik zellikleri optimize etmek amacyla seilir. Mekanik zelliklerin stemperleme sresi ile deiimi, stemperlenmi yap gelitike mevcut fazlarn miktar ve doasndaki gelimelere baldr. stemperleme sresinin artmasyla birlikte mukavemet, sneklik ve darbe direnci artarken sertlik azalr. Ksa stemperleme srelerinde mekanik zelliklerde grlen dk deerler, byk oranda martenzitten kaynaklanr. Bu martenzit stemperleme scaklndan oda scaklna souma esnasnda dnmemi karbonlu stenitten ileri gelir.

26

ekil 3.7: stemperleme scaklnn mekanik zelliklere etkisi [19]. stemperleme sresi arttka martenzit miktar azalr, anca beynitik ferrit ve yksek karbonlu stenit miktarlar artar. Bu duruma paralel olarak, mekanik zelliklerde bir art olmasna ramen bu art srekli olmaz. Uzun stemperleme srelerinde mukavemet neredeyse sabit kalrken sneklik ve darbe direnci deerleri II. aama reaksiyonunun olumasna paralel keskin bir ekilde azalr. II. aama reaksiyonu ilerledike, yapdaki yksek karbonlu kalnt stenit miktar azalr. st beynit aralnda stemperleme scakl azaldka, ikinci aama reaksiyonu daha uzun bir stemperle sresi gerektirir ve genelde stemperleme sresine bal olarak mekanik zellikleri deiimi daha yava gerekleir. Genel olarak krlma tokluu artan stemperleme scaklklaryla birlikte darbe direncine benzer ekilde artmaktadr. 27

Yorulma mukavemeti ile ekme mukavemet arasnda stemperleme sresine bal olarak bir iliki grlmemitir. Yorulma mukavemeti stemperleme scaklna bal olarak nemli bir deiiklik gstermemektedir. Dier taraftan sertliin yorulma mukavemetini belirlemede en nemli parametre olduu ve artan sertlikle yorulma mukavemetinin azald vurgulanmtr. Grafit krelerinin ortalama ap azaldka, grafit krelerinin entik etkisi azalmakta ve yorulma mukavemeti ykselmektedir [16,30]. Bartosiewicz ve dierleri[16], 288, 330, 379 ve 400Cde yaplan stemperleme sonras stenit tane boyutunun 111 m olduu, 400 oCdeki stemperleme ilemiyle yorulma mukavemetinin 417 MPa olarak elde etmektedirler. Luo ve dierleri [31], yaptklar almalarda, kresel grafitli dkme demirlerin yksek karbonlu eliin anma direnlerinin stemperleme scaklndaki bir art ile artabileceini bulmulardr. Ayrca, ayn almada kresel grafitli dkme demirlerin matriks yapsndan nemli lde etkilenerek ve sahip olduu tahrip edici zellikteki grafit faz ile birlikte anma direncinin benzer matrikse sahip eliin anma direncine gre daha dk olduunu bulmulardr. stelik su verilmi yaplarn stemperlenmi yapya gre daha yksek abrazif dirence sahip olduu yine aratrmaclar tarafndan belirtilmitir. ahin ve dierleri [33], yaptklar almada ayn stemperleme ve stenitleme

scaklnda fakat farkl zaman srelerinde yaplan stemperleme ilemi sonucunda daha uzun srede stemperlenen numunenin daha fazla andn fakat sertliinin ise stemperleme sresinin artmasyla birlikte dtn belirtmilerdir. Hemanthu [34], yapt almada, ayn numune zerinde ve ayn stenitleme scaklnda stemperleme sresinin ve stemperleme scaklnn artyla beraber anma hacminin de arttn tespit etmitir.

28

4. BORLAMA 4.1. Borlama leminin Genel Prensipleri ve zellikleri Borlama, yksek bir scaklkta bor atomlarnn difzyonu sonucu ana metal yzeyinde borr tabakas oluturmaya dayanan ve karbrleme ve nitrrlemeye gibi difzyon kontroll termokimyasal bir yzey sertletirme ilemidir. Gnmzde elik gibi Fe-C alamlarnn dnda, sermetler, demir d malzemeler ve seramik malzemelere de uygulanmakla birlikte, kullanm alan olarak elikler ilk srada yer almaktadr. Borlama sonucunda yzeyde farkl bileimlerde borr tabakas oluabilmektedir. Bu farkl tabakalar oluturan borrlerin zellikleri ekil 4.1de verilen Fe-B denge diyagram yardmyla incelenebilir.

ekil 4.1: Fe-B ikili denge diyagram [46]. 29

Periyodik tablonun IIIA grubunda yer alan borun, atom numaras 5, atom arl 10.81 g ve atom ap 0.46dr. Ergime scakl 2092C olan bor, rombohedral kristal yapsna sahiptir. [43]. Borun atom apnn demirden %27 daha dk olmas sebebiyle bor, demir iinde znerek arayer kat zelti oluturmaktadr [44]. Fe-B ikili denge diyagramnn -Fe fazna yakn blgesi, son 50 yl ierisinde birok kez deiiklie uram, fakat yaplan son almalarda, borun -Fe ve -Fe fazlar ierisinde %0.5B (a/o) kadar znd saptanmtr. Ancak -Fe faz ierisindeki znrl tam olarak tespit edilememitir. Ayrca ilk almalarda -Fe ile Fe2B arasnda bir peritektik reaksiyonun varlndan bahsedilirken son almalarda bu reaksiyonun olmad grlmtr. Fe-B ikili denge diyagramnda, %7.2 B (a/o) bileimine kadar 1394Cde -Feden +svya dnen bir metatektik reaksiyon yer almaktadr. Fe-B denge diyagram incelenecek olursa (ekil 4.1), yaklak olarak %17B bileiminde ve 1177Cde, svnn -Fe ile Fe2B bileiine dnt bir tektik reaksiyon, %33B bileiminde Fe2B bileiinin %50 B bileiminde ise FeB bileiinin yer ald grlmektedir. Fe2B faznn ergime scakl ~1407C, FeB faznn ergime scakl ise ~1590Cdir [44]. Borlama, 8001000C scaklk aralnda 110 saat srelerde kat, pasta, sv veya gaz gibi eitli ortamlarda uygulanabilmektedir. Teknolojik gelimelerle birlikte plazma borlama, akkan yatakl frnda borlama gibi yeni teknikler de kullanlmaktadr. Ayrca PVD (fiziksel buhar biriktirme), CVD (kimyasal buhar biriktirme), iyon biriktirme, plazma sprey yntemleri de borlama amacyla kullanlan yntemlerdir [35]. Borlama, metal ve alamlarn yzeylerinde sertlik, anma direnci ve korozyon direncini arttrrken, ayn zamanda bu zellikleri yksek scaklklarda korumak ve erozyon direncini de arttrmak amacyla da kullanlmaktadr [36]. Borlama ilemi sonucunda oluan borr fazlar, borlama ortamnn aktif bor konsantrasyonuna bal olarak, yzey izikleri ve przllkleri gibi makro hatalarn, tane snrlar ve dislokasyonlar gibi mikro hatalarn bulunduu blgelerde balamaktadr. zellikle dk aktif bor konsantrasyonunun bulunduu ortamlarda, bu blgeler borr faznn oluabildii yegne yerlerdir [37]. Borlama sonucu oluan borr fazlarnn en nemli zellii yksek sertlik (1400 1500 HV) ve yksek ergime scaklna (14001600 oC) sahip olmasdr. Oluan bu 30

sertlik, elik tr demir esasl malzemelerde 650Cye kadar kalcdr. Dier yzey sertletirme ilemleriyle karlatrldnda borlama yoluyla yzeyde daha sert bir yap elde edilir [35]. Tablo 4.1de farkl yzey ilemleri sonucu elde edilen mikrosertlik deerleri, borlama sonucu elde edilen mikrosertlik deerleriyle karlatrmal olarak verilmitir. eliklerde karbon oranna bal olarak oluan borr tabakas morfolojisi ve kalnlklar ise ekil 4.2de verilmitir. Tablo 4.1: Borlanm eliklerin sertlik deerlerinin dier ilemlerle ve sert malzemelerle karlatrlmas [38].Malzeme Borlanm yumuak elik Borlanm AISI H13 kalp elii Borlanm AISI A2 elii Su verilmi elik Su verilmi ve temperlenmi H13 elii Su verilmi ve temperlenmi A2 elii Yksek hz takm elii BM42 Nitrrlenmi elik Sementasyonlu dk alaml elik Sert krom kaplama Sementit karbrler, WC+Co Al2O3+ZrO2 seramikler Al2O3+TiC+ZrO2 seramikler Sialon seramikler TiC SiC Elmas Mikrosertlik (kg/mm2 veya HV) 1600 1800 1900 900 540600 630700 900910 6501700 650950 10001200 11601820(30 kg) 1483(30 kg) 1730(30 kg) 1768(30 kg) 3500 4000 10000

ekil 4.2: Farkl karbon bileimlerine gre yzeyde oluan borr tabakalarnn morfolojisi ve kalnlklar [35]. 31

Fe-B ikili diyagramnda artan bor yzdeleriyle birlikte Fe2B fazndan FeB faz blgesine geilmektedir. ekil 4.3de konvansiyonel borlama srasnda borr tabakasnn oluum mekanizmas ematik olarak verilmitir.

(a)

(b)

(c)

ekil 4.3: Konvansiyonel borlama srasnda borr tabakasnn oluum mekanizmas (a) ekirdeklenme aamas (b) ve (c) oryantasyonunda byme aamas [39]. Yaplan aratrmalarda, borr tabakasnn oluumu konusunda genel olarak savunulan nokta, ilemin difzyon kontroll olmasdr. Bu sebeple, bazen termokimyasal terimi yerine termodifzyon kelimesi de kullanlmaktadr. Fakat borlama ile ilgili olarak farkl byme mekanizmalar da ne srlmektedir [39]. Borlama ileminde karakteristik zelliklerin says olduka azdr. Bunlar arasnda en nemlisi borr tabakasnn ok yksek sertlik (1450-2000 HV) ve ergime scaklna sahip olmasdr. Borr tabakasnn yksek sertlik deeri ve dk srtnme katsays deerlerine sahip olmas, anma direncinin olduka yksek olmasn salamaktadr. Bu zellikler, kalp imalatnda ana malzemenin ilenmesi srasnda kolaylk, dk maliyet ve orijinal yapya gre mekanik zellikler asndan ok daha stn zellikler salamaktadr. Borr tabakasnn baz avantajlar aada verilmektedir;

Borr tabakasnn sertlii yksek scaklklarda (550oC-600oC) korunmaktadr. Borlama, zellikle sertleebilir birok elik grubuyla kyaslanabilir yzey zelliklerinin elde edilebildii bir ilemdir. Borlanm yzeyler ok yksek scaklklarda (850C) orta zellikte oksidasyon direncine ve olduka yksek ergimi metal korozyon direncine sahiptir. Borlama ilemi yalayc kullanmn azaltmakta, souk birleme eilimini ve srtnme katsaysnn drmektedir [13,36].

32

Borlama ilemi, birok avantajn yannda baz snrlamalar da beraberinde getirmektedir:

Borlama teknii, esnek deildir ve gaz ortamnda sementasyon ve plazma nitrasyonu gibi dier termokimyasal yzey sertletirme ilemlerine gre maliyeti daha yksektir. Gaz karbrizasyonu ve plazma nitrasyonu daha esnek tekniklerdir. Bu teknikler, daha az iilik ve daha dk maliyet gerektirir. Ayrca, bu ilemlerin ksa srede ve daha kolay gereklemesi borlamaya gre avantajlar salamaktadr. Bu sebeple, yksek sertlik, d ortamlara kar yksek anma direnci ve yksek korozyon direncinin arzu edildii durumlarda borlama ilemi tercih edilmektedir. Takmlar borlandktan sonra ou zaman bir sertletirmeye veya temperlemeye tabi tutulmaktadr. Bu ilemlerde, bor tabakasnn zelliklerinin korunmas iin inert atmosfer veya vakum gerekmektedir [13].

4.2. Demir Esasl Malzemelerin Borlanmas Borlama ilemiyle demir esasl malzemelerin yzeylerinin sertletirilmesi konusunda ilk almalar, Moissan tarafndan 1895 ylnda yaplm ve daha sonra devam etmitir. Hzla gelime gsteren borlama ilemi gnmzde anmaya direnli yzey oluturmak iin olduka yaygn olarak kullanlmaktadr [40]. Endstriyel olarak borlama ilemi, alminyum ve silisyum ieren yatak elikleri haricinde yzeyi sertletirilmi, temperlenmi, takm ve paslanmaz elikler gibi yapsal eliklere, dkm eliklerine, Armco (ticari saflkta) demire, gri ve kresel grafitli dkme demirlere, sinterlenmi demir ve eliklere uygulanabilmektedir. Borlama ileminde hangi yntem kullanlrsa kullanlsn, karbon eliklerinde yzeyde iki eit borr faz oluabilmektedir. Bunlar en d yzeyde FeB faz, FeB faz ile matris arasnda oluan Fe2B faz eklindedir [41]. Bejar ve Moreno [42], yaptklar almada, farkl borlama scaklklarnda ve srelerinde eliklerin anma dayanmlarn mikrosertliklerini lmlerdir. Bu almaya gre artan borlama scakl ile bor tabakasnn kalnl artmtr. Sertliin yzeyden ieriye doru azald ve FeB faznn daha sert olduunu saptamlardr. Ayrca artan borlama scakl ile anma dayanmnn daha da iyiletiini belirtmilerdir. 4.2.1. Fe2B ve FeB Fazlarnn zellikleri Difzyon ynne bal olarak, kolonsal yap sergileyen tek fazl Fe2B faz, ift fazl FeB+Fe2B fazna gre daha ok tercih edilmektedir. Gerekte FeB ve Fe2B fazlar 33

birbirine basma ve ekme gerilmeleri uygulamakta ve ou zaman bu gerilmeler sebebiyle, iki faz arasnda atlaklar olumaktadr. Bu etki mekanik zorlamalar altnda borr tabakasnn tabaka tabaka kalkmasna neden olur. Termal ok veya mekanik etkiler altnda ayrlmalar ve tabaka halinde kalkmalar meydana gelmektedir. Bu sebeple, minimum FeB ieriine sahip kaplama tabakalar elde edilmeye allmaktadr. Demir esasl malzemelerin borlanmas sonucunda, Fe2B faznn hakim olduu di yapsnda benzer kolonsal bir yapnn olumas da tercih edilmektedir. ift fazl FeB+Fe2B tabakas, vakum veya tuz banyosunda 800 oC scaklk civarnda uzun sre sl ileme tabi tutulduu takdirde, tek fazl Fe2B faz elde edilebilmektedir. Fe2B ve FeB fazlarnn tipik zellikleri Tablo 4.2de verilmektedir [13]. Tablo 4.2: Fe2B ve FeB fazlarnn tipik zellikleri [13, 44].zellik Kristal Yap Latis Parametresi A Mikrosertlik (GPa) Elastisite Modl (GPa) Bor erii (%Arlka) Younluk (g/cm ) Termal Genleme Katsays (ppm/oC) Ergime Scakl (oC) Termal letkenlik (W/m. K) Elektriksel Diren (10 .cm) Renk-6 o 3 o

Fe2B Hacim Merkezli Tetragonal a=5.078, c=4.28 1820 280295 8.83 7.43 7.65 (200600C) 4.25 (100800C) 13891410 30.1 (20Cde) 38 Gri Ortorombik

FeB a=4.053, b=5.495, c=2.946 1921 590 16.23 6.75 23 (200600C) 15401657 12.0 (20Cde) 80 Gri

4.3. Borlama Yntemleri Borlama ilemi teknolojide birok yntemle gerekletirilmektedir. Bu yntemler, iki ana grupta toplanmaktadr. a) Termokimyasal yntemler (kutu borlama, pasta borlama, sv borlama ve gaz borlama), b) Termokimyasal olmayan yntemler (fiziksel buhar biriktirme (PVD),kimyasal buhar biriktirme (CVD), plazma sprey kaplama vb. yntemler)Bu teknikler ierisinde en ok kullanlanlar, termokimyasal yntemlerdir. Termokimyasal bor kaplama ilemi scaklk ve zamann bir fonksiyonu olarak bor atomunun metale difzyonuna dayanan bir kaplama yntemidir. Termokimyasal bor kaplama yntemleri drt ana grup altnda toplanmaktadr [13].

34

4.3.1. Kutu Borlama Borlama ortam olarak kat maddelerin kullanld yntemdir. Toz veya granrden oluan bir karm ile malzemenin etraf sarlr. Bu ilem koruyucu atmosfer altnda veya sk kapatlm kutularda yaplr (ekil 4.4). Burada ama borlama ortamna dardan oksijen akn kesmektir. lem srasnda sya dayankl malzemeden yaplm kutular kullanlr. Borlama 8001000C scaklk aralnda ve 210 saat sreyle inert bir atmosferde yaplr. Kutu borlama ilemi, elle kolayca gerekletirilmesi, emniyetli olmas, faz bileimlerinin deiiminin ok az olmas ve bu yntemde ok az ekipmana gerek duyulmas sebebiyle ok kullanlan bir tekniktir. Proses kutulamay, stmay ve temizlemeyi iermektedir. Kaplanacak malzeme 3-5mm kalnlkta toz karm ile evrelenerek borlama yaplmaktadr. Kutu borlamada, ok farkl borlama bileenleri kullanlabilmektedir. Bu bileenler; kat bor salayclar, akkan salayclar ve aktivatrlerdir. Yaygn olarak kullanlan bor salayclar; bor karbr (B4C), ferrobor (Fe-B) ve amorf bordur. (B). Ferrobor ve amorf bor ok iyi bor salayclardr ve kaln borr tabakas olutururlar, ayrca, bor karbrden ok daha pahaldrlar. Kat ortamda bor salayclarn baz zellikleri Tablo 4.3de verilmektedir. SiC ve Al2O3 reaksiyonda yer almaz ve akkanlk salayarak, dolgu malzemesi olarak kullanlr. Ayrca SiC, bor miktarn kontrol eder ve borlama ajanlarnn kaybn nler. NaBF4, KBF4,(NH4)3BF4, NH4Cl, Na2CO3, BaF2 ve Na2B4O7 borlama aktivatrleri olarak kullanlmaktadr. Bunlarn haricinde baz ticari bor salayclar da borlama amacyla kullanlmaktadr(rnein Ekabor tozu gibi). Amorf bor ve Al2O3 ile yaplan borlamalarda tabaka kalnl dk fakat her tarafta homojen olmaktadr. Bor karbr kullanlmas durumunda, bor karbrle birlikte kalsiyum klorr, baryum klorr, borik asit ilave edildii zaman kaplama elde edilememekte, sodyum klorr, HCl, amonyum klorr ve zellikle boraks kullanld zaman kaplama gerekletirilebilmektedir [13].

(a) (b) ekil 4.4: Kutu borlamann ematik gsterimi (a) Kutu Hazrlama ve (b) Kutunun frnda stlmas [47]. 35

Tablo 4.3: Kutu borlama ileminde kullanlan bor salayc maddelerin baz zellikleri [40].sim Amorf Bor FerroBor Bor Karbr Forml B B4C Molekl Arl (g) 10.82 55.29 Teorik Bor Miktar(%) 9597 1719 77.28 Ergime Scakl (C) 2050 2450

Tipik ticari borlama toz karmlarnn bileimleri aada verilmektedir.

%5 B4C, %90 SiC, %5 KBF4 %50 B4C, %45 SiC, %5 KBF4 %85 B4C, %15 Na2CO3 %95B4C, %5Na2B4O7 %84B4C, %16Na2B4O7 Amorf bor (%9597) %95 Amorf bor, %5 KBF4

Kutu borlamada kullanlan pota, borlama ilemi boyunca bor ajanlarnn kaybn nlemek iin kurunla kaplanarak tm malzemeler doldurulduktan sonra az ksm demir curufu veya beton ile kapatlmaktadr. Pota veya kutu, yksek i gerilmeler, atlaklar ve kalkmalara sebebiyet vermemesi ve yeniden toz ilavesiyle (%2050) borlamaya devam edilebilmesi asndan frn hacminin %60n gememelidir [13]. 4.3.2. Pasta Borlama Pasta borlama, kutu borlamann zor ve pahal olduu veya fazla zaman kaybnn olduu durumlarda kullanlan bir yntemdir. Bu yntemde, %45 B4C (200400 mesh tane boyutu) ve %55 kriyolit (Na3AlF6 flaks ilaveli) veya geleneksel borlama toz karm B4C+SiC+KBF4 iyi bir balayc ajan ile (btil asetatta znm nitroselloz, metil sellozun sulu zeltisi veya hidrolize edilmi etil silikat) gerekletirilmektedir. Hazrlanan borlayc karm malzemenin yzeyine pskrtlerek veya spreylenerek 12 mm civarnda tabaka oluturulmakta ve kurutulmaktadr. lem, demir esasl malzemelere geleneksel frnlarda 8001000C scaklk aralnda 5 saat sreyle uygulanmaktadr. Bu ilemde koruyucu atmosfer olarak argon, NH3, veya N2 kullanlmaktadr. 1000Cde 20 dakika sreyle yaplan pasta borlama ileminde 50 m kalnla ulalabilmektedir. Bu yntem, byk paralarn veya seilmi alanlarn borlanmas iin olduka elverilidir [13].

36

4.3.3. Sv Borlama Bileikleri, aktivatr ve redkleyici maddelerden oluan erimi tuza, i parasnn daldrlmas yntemidir. Daldrma sresi borlama sresidir. Borlama ilemi 900 1100C scaklkta ve 29 saat sre ile yaplr. Bu yntemin dezavantaj scaklktr. Scakln 850C nin altna dmesi durumunda erimi boraksn akcl azalacandan borlama imkansz hale gelecektir. Sv ortam borlamas srasnda borlanan metal ile redkleyici madde arasnda galvanik pil oluur. Aktif bor oluumu srasnda metal yzeyinde katodik bir reaksiyon olurken, redkleyici madde yzeyinde anodik bir reaksiyon olmaktadr. Bu ilemin olumas iin; borlanacak metal ile redkleyici madde taneleri arasnda elektrokimyasal farkn bulunmas gerekir. Bu yntemde borlama banyosu sv haldedir. Borlama ilemi 670 1000C scaklk aralnda gerekletirilmektedir. Sv ortamda borlama, iki ana grupta toplanr; a) Elektrolitik sv borlama ve b) Elektrolizle sv borlama yntemleridir. Bu yntemlerin birok dezavantaj vardr; Bunlar,

Tuz kalntlarnn malzeme zerinde kalmas ve ortamda reaksiyona girmeyen borun varl zaman ve para kaybna yol aar. Borlama ileminin baaryla yrtlmesi iin banyo viskozitesinin arttrlmas gereklidir ve bu sebeple tuz ilavesi yaplmaktadr. Bu da ilemin maliyetini arttrmaktadr. lem iin malzemeyi korozif ortamlardan koruyacak frnlara ihtiya vardr [13].

4.3.4. Gaz Borlama BCl3, H2 ve N2 gaz karm atmosferinde yksek scaklklarda gerekletirilen borlama prosesidir. Borr tabakasnn morfolojisi demir esasl malzemeler iin; a) D tabakalarda ortorombik FeB faz b) tabakalarda hacim merkezli tetragonal Fe2B faz teekkl eder. Alaml elik malzemelerde alam elementleri borr oluumunu inhibe eder ve alam miktaryla birlikte oluan FeB oran artar. Paslanmaz elikler borlama ilemleri iin nispeten daha az elverilidir. Borlama ileminde kullanlan eitli gazlarn baz zellikleri Tablo 4.4te verilmektedir.

37

Tablo 4.4: Borlama ileminde kullanlan eitli gazlarn baz zellikleri [40].Gazlar Bor Tri Florid Bor Tri Klorid Bor Tri Bromit Di-Boran Bor Tri Metil Bor Tri Etil Kimyasal Forml BF3 BCl3 BBr3 B2O3 (CH3)3B (C2H5)3B Molekl Arl, g 67.82 117.9 250.57 26.69 55.92 98.01 Teorik Bor Miktar, % 15.95 9.23 4.32 39.08 19.35 11.04 Donma Noktas, C 128.8 107.3 46 165.5 161.5 94.0

4.4. Bor Kaplamalarn Anma zellikleri Bor kaplamalar, olduka sert kaplamalardr ve yksek anma direncine ihtiya duyulan yerlerde, yani tribolojik uygulamalarda kullanlmaktadr. Tribolojik uygulamalara en ok kullanlan bor kaplamalar, demir borr ve titanyum diborr kaplamalardr. Demir borr kaplamalar, ok yksek anma direnci ve dk srtnme katsays salayan zelliklerinden dolay fren sistemlerinde kullanlabilmektedirler. Borlanm elikler zerinde birok anma deneyinin yapld belirtilirken, dkme demirlerin borlanmas ve anma karakteristikleri hakknda yaplan almalar snrl kalmaktadr. Eyre [45], baz elikleri karbrleme ve borlama, gri dkme demiri ise borlama ilemine tabi tutarak, bu malzemelerin anma davranlarn incelemitir. Normalize edilmi EN8 malzemesinin 8.5 kg yk altnda 1800 m kayma mesafesinde yaplan anma deneyinde, metalik anmann meydana geldiini ve borlanmam EN8 malzemenin anma miktarnn ihmal edilebilir seviyede olduunu tespit etmitir. AISI 4140, AISI D21 VE AISI M2 elikleri zerinde yaplan almalarda termokimyasal yntem kullanlarak maksimum 2030 m, ancak demir esasl malzemelerin bor kaplanmasnda olduka yksek tabaka kalnl elde edilebildiini ve abrasif anma deneylerinde, kaplamalarn sertliine bal olarak andrc malzemenin sertliinin yksek olmas durumunda anmann da o derece yksek olacan sylemektedir. Termokimyasal olarak yaplan -FexN, (Cr,Fe)xCy, Fe2B ve VC kaplamalarn anma davranlar ekil 4.5de verilmektedir. ekilde bor kaplamalar (Fe2B), -FexN, (Cr,Fe)xCy kaplamalar gre flint ve krondum karsnda ok daha yksek anma direncine sahip iken, silisyum karbre kar yaplan 38

deneylerde belirgin bir ekilde anmaktadr. Bu kaplamalar arasnda en iyi sonucu VC sergilemektedir. CVD, PVD ve termokimyasal yntemlerle oluturulan VC ve Fe2B kaplamalarn ok iyi abrasif anma direncine sahip olduunu da belirtmektedir.

ekil 4.5: Termokimyasal yntemlerle kaplanm eliklerin abrasif anma davranlar [45]. Allaoui ve dierleri [46], borlama ilemini tuz banyosunda yapmlardr ve anma deneylerinde pin on disk yntemini kullanmlardr. Yaptklar anma deneyleri sonucunda anma dayanmnn bor tabakasnn mikroyapsna bal olarak deitii sonucuna varmlardr. Anma deney sonularnda srtnme katsaysnn 0,15ten 0,65e kadar deitiini belirtmilerdir. En iyi artn ise boraks-SiC banyosunda tek fazl bor tabakas oluturularak elde edildii sonucuna varmlardr.

39

5. DENEYSEL ALIMALAR 5.1. Deneysel Malzeme Deneysel almalarda, kimyasal bileim aral Tablo 5.1de verilen GGG 40 kalite kresel grafitli dkme demir kullanlmtr. retici Aral Dkm firmasnca 600 x 700 x 80 mm ebatlarndaki bloklar halinde dklen malzemeler, deneysel almalarda kullanlmak zere kesilerek 32x20x5 mm ebatlarnda numuneler haline getirilmitir. Tablo 5.1: Bu tez almasnda kullanlan GGG 40 kalite kresel grafitli dkme demirin kimyasal bileimi [11].C 3.86 Si 1.42 Mn 0.076 Kimyasal bileim, % a. P S Cr 0.038 0.010 0.03 Cu 0.02 Sn 0.0003 Mg 0.063

5.2. Mikroyapsal Karakterizasyon Mikroyapsal karakterizasyon almalar, Leica marka optik mikroskop kullanlarak yaplmtr. Bu amala, uygun boyutlarda kesildikten sonra souk yntemle kalplanan numuneler, srasyla 120-1200 me boyutundaki zmparalar ile zmparalanm, % 99.98lik Al2O3 ve 1 m boyutundaki elmas pasta ile parlatlm ve % 2 Nital ile dalanarak optik mikroskop incelemelerine hazr hale getirilmitir. Mikroyap incelemeleri, Leica marka optik mikroskopla yaplmtr. 5.3. Malzemeye Uygulanan Isl lemler ve Yzey lemleri Bu tez almasnda, numunelere, stemperleme, borlama, borlama + stemperleme olmak zere farkl ilem uygulanmtr. zleyen blmlerde her bir ilemin uygulan detayl olarak anlatlmaktadr. 5.3.1. stemperleme Isl lemi stemperleme, iki aamada uygulanan bir sl ilem srecidir. lemin birinci aamasnda, stenitlenen numuneler, ikinci aamada izotermal olarak tavlanarak stemperlenir. Bu amala numuneler, 900Cde 90 dakika sreyle stenitlendikten 40

sonra, stemperleme iin hzlca, sabit scaklktaki bir tuz banyosuna aktarlm, bu scaklkta 5, 10, 20, 40, 80, 160, 320 ve 640 dakika sreyle tutulmu, daha sonra karlp havada soutularak stemperleme ilemi tamamlanmtr. stenitleme ilemi Nabertherm marka PID scaklk kontroll bir elektrik direnli frnda gerekletirilmi, ilem srasnda malzemeler, yzeylerinden karbon kaybn nlemek amacyla grafit tozuna gmlmtr. stemperleme ilemi, 250, 300, 350 ve 400C olmak zere 4 farkl scaklkta yaplmtr. Tuz banyosu, Nabertherm marka dikey bir frn ierisine paslanmaz elik bir pota yerletirilmi ve pota ierisine AS135 olarak bilinen ticari sl ilem tuzu konularak oluturulmutur. Tuz banyosunun scakl, stemperleme srasnda Ni-NiCr bir termokupl ile srekli olarak kontrol edilmitir. 5.3.2. Borlama lemi Borlama ileminden nce, yzeyleri 1200 me zmpara seviyesine kadar zmparalanarak temizlenmitir. elik kutular ierisine konulan ticari Ekabor 3 tozu ierisine gmlen numuneler, bu ekilde 900C scaklktaki frna konulmu ve bu scaklkta 90 dakika bekletildikten sonra, karlarak havada soutulmutur. 5.3.3. Borlama ve stemperleme lemi Deneysel almalar kapsamnda seilen baz numuneler, borlama ilemini takiben, havada soutmak yerine sabit scaklktaki tuz banyosuna aktarlarak stemperlenmitir. Bu amala seilen borlama scakl ve sresi, 900C ve 90 dakikadr. stemperleme scaklk ve sresi ise, ileride detaylar verilecek olan, stemperlenmi numunelerin sertlik ve anma deneyi sonularna gre, 250Cde 320 dakika, 300Cde 80 dakika, 350Cde 10 dakika ve 400Cde 640 dakika olarak belirlenmitir. Uygun borlama ve stemperleme scaklk ve sresi seildikten sonra numuneler, borlama ilemindeki gibi elik kutuda Ekabor 3 tozu ierisine gmlerek 900Cde 90 dakika borlanmtr. Frndan alnan numuneler hzlca tuz banyosuna aktarlm, ngrlen scaklk ve srelerde stemperlendikten sonra, havada soutulmutur. 5.4. Mekanik Deneyler ncelenen numunelerin mekanik zellikleri, detaylar aada aklanan sertlik, mikrosertlik ve anma deneyleri ile belirlenmitir.

41

5.4.1. Makro Sertlik Deneyleri Makro sertlik lmleri, Indentec marka sertlik cihaznda Rockwell C deneyi esaslarna (150 kg yk, konik elmas batc u) uygun olarak yaplmtr. Her numune zerinde 4 lm alnm ve bunlarn aritmatik ortalamalar, numunenin sertlik deeri olarak ifade edilmitir. 5.4.2. Mikro Sertlik Deneyleri Mikrosertlik deneyleri, temelde iki ama iin yaplmtr: Birincisi, numunelerin matriksinin mikrosertlik deerini belirleyerek, makro sertlik deeriyle karlatrma olana elde etmek, ikincisi, borlama ve borlama + stemperleme ilemleri sonucu, yzeyden itibaren sertlik deiimini belirlemektir. Mikrosertlik deneyleri, Shimadzu HMV-2 modeli mikrosertlik lm cihaz kullanlarak 0.5 kg yk altnda 30 saniye bekleme sresi koullarnda yaplmtr. Her numune zerinden drt lm alnm ve aritmetik ortalamalar numunenin mikrosertlik deeri olarak ifade edilmitir. Borlama ve borlama + stemperleme uygulanan numunelerde, bor tabakasndan matrikse doru mikrosertlik dalmlar CSM marka mikrosertlik cihaznda vickers batc u ve 0.15 kg yk kullanlarak gerekletirilmitir. 5.4.3. Anma Deneyleri Anma deneyleri, ekil 5.1de grlen kart hareketli anma cihaznda ve kuru ortamda gerekletirilmitir. Kar hareketli anma deneylerinde, andrc bir bilya, dz bir yzey zerinde (numune), yatay eksende ve belirli bi