Farklı oranlarda silisyum içeren küresel grafitli dökme demirlerin mikro yapılarına çift kademeli östemperlemenin etkisi

Küresel grafitli dökme demir, adından da anlaşılacağı gibi yapısında grafitleri küresel şekilde bulnuduran bir dökme demir türüdür. Demirler, magnezyum, seryum ve diğer özel elementler ile alaşımlandırıldığında, demir içindeki grafitler küresel biçimde katılaşarak yüksek dayanım özellikleri kazanan bir malzemeye dönüşür. Küresel grafitli dökme demir olarak bilinen bu malzeme, dökme demir türleri içerisinde en dayanıklı ve tok olanıdır. Küresel grafitli dökme demirlerin yüksek çekme mukavemeti, yüksek süneklik, yüksek aşınma direnci, düşük ergime sıcaklığı ve düşük maliyetle kolay üretilebilme gibi nitelikleri, otomotiv sanayinde krank milleri, vites dişlileri, kam mili, ön aks taşıyıcısı, diferansiyel taşıyıcısı ve süspansiyon kolları gibi parçaların üretiminde yaygın olarak kullanılan bir malzeme türü olmasını sağlamıştır. Küresel grafitli dökme demirlerin mekanik özellikleri malzemenin mikroyapısı ile doğrudan ilişkilidir ve bu malzemenin mikroyapısı tamamen perlitik, ferritik/perlitik ya da tamamen ferritik olabilmektedir. Bu yapıyı belirleyen etkenlerin başında malzemenin kimyasal bileşimi gelmektedir. Küresel grafitli dökme demir malzemenin her bölgesinde sertlik dağılımının homojen olması ve malzemenin sertlik değerinin en yüksek değere ulaşabilmesi için, bir çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda, en çok kullanılan yöntem katı çözelti sertleştirme işlemi olmuştur. Bu işlemde küresel grafitli dökme demire belirli miktarda alaşım elementi eklenir ve en iyi özellikler alaşım elementi olarak silisyumun kullanılmasıyla elde edilmiştir. Küresel grafitli dökme demirin bileşimine yüksek oranda silisyum ilavesi, mikroyapının tamamen ferritik olmasını sağlarken, aynı zamanda silisyum atomları yapı içerisinde demir atomlarının yerini alarak katı çözelti oluşturmaktadır. Böylece tek fazlı yapı elde etmenin yanı sıra, katı çözelti sertleşmesi mukavemet artırıcı etki sağlayarak malzemenin sertlik, akma dayanımı, çekme dayanımı, süneklik ve tokluk gibi özelliklerini olumlu yönde etkiler. Küresel grafitli dökme demir malzemelerin mekanik özelliklerini arttırmak için yapılan bir diğer işlem östemperlemedir. Bu işlem ile küresel grafitli dökme demirler, çelik malzemelerde oluşan beynitik yapıdan farklı olarak ösferritik (östenit+ferrit) matris yapı oluşturmaktadır. ÖKGDD malzemeler çeliklerle karşılaştırıldığında; düşük malzeme ve üretim maliyetine, düşük yoğunluğa, iyi işlenebilirliğe ve yüksek titreşim sönümleme kabiliyetine sahiptir. Bu üstün özelliklerin sonucu olarak da pek çok alanda kullanılmaya başlanmış ve pek çok araştırmanın da konusu olmuştur. KGDD'lerde fazla miktarda Si içeriği östemperlenmiş KGDD mikroyapısının geliştirilmesinde anahtar role sahiptir. Silisyum, izotermal dönüşüm sırasında karbür çökelmesini engeller. Östemperleme süresi, ferrit ve karbonca zenginleşmiş kalıcı östenitin oluşumu için yeterli olmalı ve ayrıca oda sıcaklığında yüksek karbonlu östenitin kararlılığını koruması sağlanmalıdır. Bu çalışmada, farklı silisyum oranlarına sahip ferritik-perlitik (EN GJS- 500-7, EN- GJS- 600-3) ve ferritik (EN- GJS-500-14, EN- GJS- 600-10) mikroyaplı küresel grafitli dökme demirlere uygulanan tek ve iki kademeli östemperleme işlemlerinin, malzemelerin mikroyapıları, sertlik ve aşınma dirençleri gibi mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Ferritik- perlitik numuneler ( EN GJS-500-7 ve EN- GJS- 600-3), 900°C'de bir saat, ferritik numuneler 975ºC'de 90 dakika östenitleme işlemine tabi tutulmuştur. Tek kademeli östemperleme işlemi, tüm numunelerin 250ºC ve 400ºC'de 20 dakika bekletilmesiyle yapılmıştır. İki kademeli östemperleme işlemi düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa (250ºC'den 400ºC'ye) ve yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa (400ºC'den 250ºC'ye) geçilerek yapılmış, numuneler her iki sıcaklıkta 20'şer dakika bekletilmiştir. Numumeler tüm östemperleme işlemlerinden sonra havada soğumaya bırakılmıştır. Östemperleme işlemi sonucunda, numunelerin mikroyapılarında östempereleme türüne bağlı olarak olarak değişen oranlarda ferrit ve kalıntı östenit oluştuğu belirlenmiştir. Östemperlenmiş numunelerinin ve döküm halindeki numunelerin mekanik özelliklerini incelemek amacıyla, sertlik ve aşınma deneyleri yapılmıştır. İncelemeler sonucunda östemperleme işlemi ile tüm numunelerin makro ve mikro sertliklerin, döküm durumundaki yapılarına göre arttığı belirlenmiştir. Bununla birlikte ferritik numunelerin sertliği, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa geçilerek yapılan kademeli östemperlemede artış gösterirken, ferritik- perlitik numunelerde bu durumun tersi gözlemlenmiştir. Östemperlenmiş ve döküm halindeki tüm numuneler, ball-on test metoduyla oda sıcaklığında aşınma testine tabi tutulmuş ve oda sıcaklığında yapılan aşınma testi sonucunda numunelerin aşınma dirençlerinin, döküm durumundaki yapılarına göre 2 ile 3 kat arasında artış gösterirdiği bulunmuştur. En yüksek aşınma direnci tüm numuneler için 250ºC'de yapılan östemperleme işleminde sağlanırken, ferritik numunelerin aşınma direnci, 400ºC- 250ºC'de yapılan kademeli östemperlemede artış gösterirken, ferritik numune gruplarında bu durumun tersi gözlemlenmiştir.