Yüksek silisyumlu küresel grafitli dökme demirlere uygulanan östemperleme ve alüminyumlama işlemlerinin malzeme özelliklerine etkisi

Küresel grafitli dökme demirler diğer döküm malzemelerle (gri dökme demir, çelik, demirdışı) kıyaslandığında % 25'lik oranla gri dökme demirden (% 46) sonra dünyada en çok üretilen döküm malzemelerdir. Toplamda yıllık yaklaşık 100.8 milyon ton metal döküm üretimi göz önüne alındığında bunun 25.2 milyon tonunu küresel grafitli dökme demirler oluşturmaktadır. Dünyanın en iyi 5 demir döküm üreticisi sırasıyla Çin, Amerika, Hindistan, Japonya ve Almanya olmakla beraber bu ülkelerde, Çin dışında, küresel grafitli dökme demir üretimi gri dökme demir üretiminden fazladır. Diğer yandan Türkiye dünya metal döküm üretim endüstrisinin yaklaşık % 1.4'lük kısmını oluşturmaktadır. Küresel grafitli dökme demirlere olan talebin fazla olmasının sebebi bu malzemelerin sahip olduğu üstün yorulma özellikleri, yüksek aşınma direnci, yüksek çekme dayanımı, yüksek süneklik gibi özellikleridir. Bunun yanında küresel grafiti dökme demirler çeliklerle kıyaslandığında yaklaşık % 10 daha az yoğunluğa sahiptir. Tüm bu özelliklerinden dolayı küresel grafitli dökme demirler başta otomotiv olmak üzere birçok mühendislik uygulamasında kullanılmaktadır. Küresel grafitli dökme demirlerin mekanik özellikleri mikroyapıları ile doğrudan ilişkili olup bu malzemelerin mikroyapısı tamamen ferritik, ferritik/perlitik ya da tamamen perlitik olabilmektedir. Bu mikroyapıyı belirleyen en önemli etkenler malzemenin kimyasal bileşimi ve soğuma hızıdır. Malzemenin soğuma hızı yüzey bölgelerinden iç bölgelere doğru azaldığı için malzemenin yüzeye yakın bölgelerinde perlit miktarı yüksek soğuma hızının etkisiyle fazladır. Buna karşın iç bölgelerde ise düşük soğuma hızının etkisiyle ferrit miktarı fazladır. Dolayısıyla malzemenin yapısı, ferrit ile perlit yapılarının farklı özellikler sergilemesine bağlı olarak, her bölgesinde aynı olmamaktadır. Perlit yapısının ferrit fazına kıyasla daha sert olmasının bir sonucu olarak malzemenin başta sertlik dağılımı olmak üzere mekanik özellikleri yüzey bölgelerinden iç bölgelere doğru gidildikçe farklılık göstermektedir. Bu durum işlenebilirlik açısından problem çıkarmakta olup özellikle talaşlı imalat sırasında kesici uç takım ömrünün kısalmasına, iş ve zaman kaybına neden olmaktadır. Tüm bunlar göz önünde bulundurulduğunda malzemenin tek fazlı mikroyapıya sahip olması başta sertlik dağılımı olmak üzere malzemenin mekanik özelliklerinin her bölgesinde birbirine yakın olması açısından önem arzetmektedir. Küresel grafitli dökme demirlerle ilgili EN 1563 standardı Mart 2012 yılında revize edilerek ferritik matrisli (yüksek silisyumla katı çözelti sertleşmesi uygulanmış) GJS-450-18, GJS-500-14 ve GJS-600-10 yüksek silisyumlu dökme demirler standarda eklenmiştir. Yüksek silisyum (ağ.% 3.2–4.3) yapı içerisinde demir atomlarının yerini alarak (yeralan) katı çözelti oluşturmakta, bu sayede tamamen ferritten oluşan tek fazlı yapı elde edilmektedir. Burdaki katı çözelti sertleşmesi perlitin dayanım artırıcı görevine alternatif bir çözüm oluşturmanın yanısıra, geleneksel ferritik/perlitik dökme demirlere kıyasla aynı dayanım değerlerinde % 100'e varan süneklik artışı ve talaşlı imalat sırasında yaklaşık % 50-60 daha fazla kesici uç takım ömrü sağlamaktadır. Küresel grafitli dökme demirler her ne kadar iyi mekanik ve aşınma özelliklerine sahip olsalarda endüstrinin talepleri doğrultusunda bu özelliklerinin daha da iyileştirilmesi ihtiyacı doğmuştur. Bu talepler doğrultusunda en uygun yöntem olarak küresel grafitli dökme demirlere östemperleme ısıl işlemi uygulanmaktadır. Östemperleme işlemiyle mevcut matris iğnesel ferrit ve yüksek karbonlu östenitten oluşan ösferrit mikroyapısına dönüşerek malzemeye hem dayanım hem de tokluk kazandırmaktadır. Östemperleme işlemi geleneksel dökme demirlere sıklıkla uygulanan bir yöntem olmakla beraber, son yıllarda katı çözelti sertleşmesi uygulanmış yüksek silisyumlu dökme demirlere de uygulanmıştır. Elde edilen bulgular yüksek silisyumlu östemperlenmiş dökme demirlerin geleneksel östemperlenmiş dökme demirlere göre daha yüksek dayanım ve daha yüksek süneklik gösterdiğini ortaya koymuştur. Yüksek silisyumlu dökme demirler içeriğinde bulunan yüksek miktarda silisyumdan (ağ.% 3.2–4.3) dolayı östemperleme işlemi sonrası yapıda oluşması muhtemel sementit (Fe3C) oluşumunu engelleyerek mekanik özellikleri kırılgan sementitin zararlı etkilerinden korur. Yüksek silisyum malzemenin ötektoid sıcaklığını artırdığı için östemperleme işleminin östenitleme aşamasında geleneksel dökme demirlere kıyasla daha yüksek sıcaklıklar tercih edilir. Yüksek östenitleme sıcaklığı karbonun daha hızlı bir şekilde östenite difüzyonunu sağlamakla birlikte östeniti karbonca daha zengin bir hale getirir ve böylece östenit termodinamik açıdan daha kararlı bir hal almış olur. Östemperleme işleminin östenitleme aşaması yüksek sıcaklıklarda (>850 °C) gerçekleştiğinden bu sıcaklıklarda malzemelerin koruyucu atmosfer ortamı sağlanmadığı takdirde gerek oksidasyona gerekse de dekrabürizasyona maruz kalması kaçınılmazdır. Sıcak daldırma alüminyumlama (hot dip aluminizing-HDA) kaplama yöntemi sayesinde bu malzemelere yüksek sıcaklık oksidasyon direnci kazandırmanın yanısıra bu malzemeler östenitleme sırasında dekarbürizasyondan korunabilir. HDA sonrası genel olarak kaplamanın en üst kısmında alüminyum (Al), ortasında FeAl3 ve en iç kısmında Fe2Al5 intermetaliği oluşur. Kaplamanın en dış kısmında olan Al yüksek sıcaklıklarda en üst katmanda Al2O3 oluşturarak malzemeyi oksidasyondan ve dekarbürizasyondan korur. HDA yapısında bulunan mevcut gevrek ve kırılgan intermetalikler (FeAl3, Fe2Al5) ise yüksek sıcaklıklarda demirce zengin ve daha tok FeAl ve Fe3Al yapılarına dönüşebilerek kaplamanın mekanik özelliklerini iyileştirir. Dolayısıyla HDA kaplamanın sunmuş olduğu bu iyi özelliklerinden dolayı dökme demirlerin östempereleme işlemi öncesinde kullanılması malzemenin yüzey özelliklerine katkı sunması beklenir. Tez kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmaların ilk aşamasında, GJS-500-14 ve GJS-600-10 grade yüksek silisyumlu küresel grafitli dökme demirler 975 °C'de 2 saat östenitleme işlemine tabi tutulduktan sonra farklı östempereleme sıcaklıklarında (270 °C, 330 °C, 390 °C) 1 saat östempereleme işlemine tabi tutulmuştur. Farklı östemperleme sıcaklıklarının malzemelerin yapısal, mekanik ve manyetik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Östemperleme sıcaklığı arttıkça yapıdaki kalıntı östenit miktarının arttığı, malzemenin kimyasal içeriğindeki silisyum miktarının ağırlıkça % 3.7'den (GJS-500-14) % 4.3'e (GJS-600-10) artmasının malzemenin süneklik ve tokluk değerlerini olumsuz etkilediği, ve ayrıca 330 °C östempereleme sıcaklığında optimum mekanik özelliklerin elde edildiği görülmüştür. Optimum mekanik özellikleri belirleyen faktörler mikroyapıda bulunan iğnesel ferritin ince-kaba arasında bir formda olması ve ayrıca kalıntı östenit miktarının yaklaşık % 20-25 aralığında olmasıdır. Manyetik özelliklerin malzemenin kimyasal içeriğine ve mikroyapısal bileşenlerine bağlı olarak değiştiği, şöyle ki, artan silisyumla ve artan kalıntı östenit miktarıyla beraber manyetik doygunluk değerinin azaldığı görülmüştür. Artan silisyumla manyetik doygunluğun azalması, alaşım elementlerinin malzemedeki manyetik momenti azaltma etkisidir. Artan kalıntı östenit miktarıyla manyetik doygunluğun azalması ise, ösferrit yapısında bulunan ferromanyetik ferritin hacimce azalmasına bağlı olarak paramanyetik östenitin hacimce artmasının sonucudur. Tez kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmaların ikinci aşamasında, GJS-500-14 kalitedeki dökme demirler HDA yöntemi ile 750 °C'de 5 dakika kaplanmış, sonrasında yine aynı östemperleme koşullarda, 975 °C'de 2 saat östenitleme ve sonrasında 3 farklı östemperleme sıcaklığında (270 °C, 330 °C, 390 °C) 1 saat, östemperleme ısıl işlemi uygulanmıştır. İlave HDA kaplamanın malzemelerin mekanik ve korozyon özelliklere etkisi incelenmiştir. Döküm halindeki kaplamasız malzemeye kıyasla, sadece HDA kaplanmış (östemperlenmemiş) malzemenin mekanik özelliklerinin neredeyse değişmediği görülmüştür. HDA kaplanmış ve sonrasında östemperlenmiş malzemeler sadece östemperlenmiş (kaplamasız halde) malzemeler ile kıyaslandığında ise dayanım değerlerinin bir miktar düştüğü buna karşın süneklik değerlerinin önemli ölçüde arttığı görülmüştür. Dayanım değerlerindeki düşüşe, kaplama yapısında bulunan gevrek Fe2Al5 ve FeAl2 fazlar ve östenitleme sıcaklığından (975 °C) östemperleme sıcaklıklarına (270 °C-390 °C) soğutma sırasında oluşan yüksek sıcaklık gradyenine bağlı kaplama yapısında oluşan çatlaklar ve boşluklar etki etmiştir. Süneklik değerlerindeki artışa ise kaplama yapısında bulunan sünek FeAl ve α-Fe tabakalarının olumlu yönde etki ettiği görülmüştür. Elektrokimyasal korozyon sonrası, HDA kaplanmış ve sonrasında östemperlenmiş malzemelerin korozyon dirençlerinin döküm halindeki kaplamasız malzemeye kıyasla yaklaşık 3-6 kat arası artış gösterdiği görülmüştür. Korozyon direncindeki bu artışa, kaplamasız malzemenin yüzeyindeki grafitlerin grafitik korozyona neden olmasına karşın kaplamalı malzemede grafit nodüllerinin doğrudan korozif ortama maruz kalmaması önemli katkı sağlamıştır. Deneysel çalışmaların üçüncü aşamasında ise tez kapsamında kullanılan diğer kalitedeki GJS-600-10 yüksek silisyumlu dökme demirler HDA (750 °C, 5 dakika) yöntemiyle kaplanmış ve akabinde daha evvel yapılan çalışmalardan optimize edilen östemperleme koşulunda (975 °C 2 saat östenitleme, 330 °C 1 saat östemperleme) östemperleme ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Malzemeler yapısal ve mekaniksel olarak karakterize edildikten sonra ağırlıklı olarak oda sıcaklığındaki aşınma özellikleri irdelenmiştir. HDA kaplanmış ve ardından östemperlenmiş malzemelerin sadece östemperlenmiş (kaplamasız halde) malzemelere kıyasla aşınma direncinde yaklaşık % 30 oranında artış olduğu görülmüştür. Sadece östemperlenmiş dökme demir malzemelerin yüzeyinde aşınma etkisiyle oluşan poroz Fe2O3 malzemedeki aşınma kaybını artırırken aynı zamanda malzemede bulunan grafitlerde plastik deformasyona uğrayarak buna eşlik etmiştir. Kaplamalı malzemede ise, yüzeyde ince bir tabaka halinde bulunan Al2O3 aşınmayla beraber sahip olduğu yüksek sertliğe bağlı olarak yüzeyde çatlaklar oluşturmuşsa da, kaplamada bulunan diğer tabakalar (Fe2Al5 + FeAl2, FeAl, α-Fe) alttan yüzeye destek oluşturarak aşınmanın daha derinlere ulaşmasını önlemiştir. Sonuç olarak, GJS-500-14 ve GJS-600-10 kalite yüksek silisyumlu dökme demirlere sadece östemperleme işleminin uygulanması beklenildiği üzere malzemelere hem dayanım hem de tokluk kazandırmıştır. Artan östemperleme sıcaklığıyla ferrit (ferromanyetik) oranı azalmış buna bağlı olarak kalıntı östenit (paramanyetik) oranı artmıştır. Manyetik özelliklerin östemperleme sıcaklığıyla değişiminden yararlanılarak, bu malzemelerin kalıntı östenit hacim oranları manyetik yöntemle hesaplanmış ve bu değerlerin XRD yöntemiyle yapılan ölçümlerle uyumlu olduğu görülmüştür. Yüksek silisyumlu dökme demirlerin östempereleme öncesi HDA yöntemiyle kaplanması ise gerek östemperleme işleminin östenitleme safhasında koruyucu atmosfer gereksinimini ortadan kaldırdığı için gerekse de östemperleme sonrası malzemelerin yüzey özelliklerini (korozyon, aşınma) geliştirdiği için önem arzetmektedir. HDA kaplanmış ve östemperlenmiş malzemeler mekanik özelliklerin iyi yönde gelişmesini sağlamış ve östemperlenmiş dökme demirler için istenen minimum mekanik özellikleri ilgili BS EN 1564 standardında yer alan 1200-3, 900-8, ve 800-10 sınıfı malzemelerin özelliklerini karşılamıştır.