Lokal sert dolgu kaynağı yöntemiyle sıcak çelik dövme kalıplarının ömrünün uzatılması

Bu tez çalışmasında lokal sert dolgu kaynağı yöntemiyle, kapalı kalıpta sıcak çelik dövme prosesinde kullanılmak üzere seçilen dövme kalıbının servis ömrünün ekonomik bir şekilde uzatılması amaçlanmıştır. Sert dolgu kaynağı kalıbın hasar geçmişi incelenerek, üretim esnasında hasarın öncelikli olarak gerçekleştiği yerlere lokal olarak tatbik edilmiş ve geçmişte yapılan kalıp gravürünün tamamen kaynak malzemesiyle doldurulduğu uygulamalara kıyasla daha ekonomik ve hızlı bir şekilde kalıp servis ömrünün uzatılması hedeflenmiştir. Sert dolgu kaynağının kalıba tatbik edilmesinin öncesinde, hangi özelliklerde bir elektrodun kullanımının uygun olduğunu tespit edebilmek adına, ikisi Demir (Fe1 ve Fe2 ), ikisi Kobalt (Co1 ve Co2) esaslı olmak üzere 4 farklı elektrotla altlık olarak kullanılan DIN 1.2714 sıcak iş takım çeliği üzerine sert dolgu uygulaması gerçekleştirilmiştir. Kaynak tatbik edilirken, sert dolgu kaynağı için oldukça yüksek önem arz eden proses şartlarına mevcut imkanlar dahilinde azami dikkat edilmesine özen gösterilmiştir. Zira uygulama öncesinde altlık malzemesinin ısıtılması, kaynak esnasında belirlenen minimum sıcaklık seviyesinin korunması, gerilim giderme ve yavaş soğutma işlemleri bu uygulama için oldukça önemlidir. Mevcut elektrotların her birinden altışar adet 30x30x6 mm ölçülerinde numune elde etmek üzere altlık malzemesi üzerine sert dolgu kaynağı tatbik edilmiştir. Kaynak malzemesi altlık üzerine açılan kanallarda ~ 3,5 mm kalınlık oluşturacak şekilde numuneler hazırlanmıştır. Kaynak yüzeyi diğerlerine göre daha kalın numuneler istenen ölçüyü elde etmek adına ilave talaş kaldırma operasyonuna tabi tutulmuşlardır. Hazırlanan dolgu kaynaklı numuneler ve altlık malzemesi için sertlik testleri, mikroyapı karakterizasyonları, X-ışını kırınım karakterizasyonları, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda ( 400 °C ve 600 °C) aşınma testleri gerçekleştirilmiştir. Fe1 ve Fe2 elektrotlarının sertlik test sonuçlarına göre, Fe2'nin sertliği 61 HRC ölçülmüşken, Fe1'in sertliği 49 HRC olarak ölçülmüştür. Bu farkı daha iyi yorumlayabilmek adına numunelerin mikroyapı karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Optik mikroskop altında elde edilen görüntülere göre, Fe2'nin yapısının neredeyse tamamen martenzitten oluştuğu ve bunun yanı sıra bir miktar kalıntı östenit ve α-Fe ihtiva ettiği tespit edilmiştir. Fe1'nin mikroyapı karakterizasyonunda ise martenzit matrisinin içerisinde Fe2'ye göre çok daha fazla oranda α-Fe ve kalıntı östenit olduğu tespit edilmiştir. X-ışınları kırınımı karakterizasyonu ile de mikroyapıda gözüken fazlar teyit edilmiştir. Co1 ve Co2'nin sertlik testi sonuçlarına göre, Co1'in sertliği 39 HRC, Co2'nin sertliği ise 55 HRC olarak ölçülmüştür. Sertlik farkının sebeplerini daha net yorumlayabilmek adına her iki elektrot için de mikroyapı karakterterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bunun sonucunda hem Co1 numunesinin; hem de Co2 numunesinin yapısında. α-Co matrisi ve yoğun ötektik karbürlerin (〖Cr〗_7 C_3 , 〖Cr〗_23 C_6) bulunduğu tespit edilmiştir. Yapılan X-ışınları kırınımı karakterizasyonunda da iki yapının içerisinde de aynı fazlar tespit edilmiştir. Bu benzerliğe rağmen sertlik değerlerinin bu derece farklı olmasının Co2 numunesinin kaynak sonrası ilk kalınlığının diğer numunelere göre kalın olması sebebiyle ilaveten üzerinden paso kaldırması ve deformasyona uğraması; dolayısıyla da yapısındaki α-Co 'ın daha sert ε-Co 'a dönüşmesi olabileceği düşünülmektedir. Bu aynı zamanda yüzey merkezli kübik yapıdan, hekzagonal kübik yapıya bir dönüşümdür. Ayrıca Co1'in yapısında daha fazla bulunan Fe ve Ni elementleri, hekzagonal kübik ε -Co 'a nazaran daha yumuşak olan yüzey merkezli kübik α-Co'ı stabilize etmektedir. Fe1 ve Fe2 dolgu kaynağı tatbik edilmiş olan numuneler ve altlık malzemesi için 3 farklı sıcaklık mertebesinde (Oda Sıcaklığı, 400 °C ve 600 °C) 4N yük altında aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Oda sıcaklığında elde edilen sonuçlara göre, bu üçünün arasından Fe1 en az, altlık ise en fazla malzeme kaybı yaşayan numune olmuştur. Test esnasında oluşan oksit tabakalarının dayanıklılığı, bu sıralamada belirleyici faktör olmuştur. 400 °C'de elde edilen verilere göre altlık ve Fe1 benzer aşınma davranışı gösterirken, Fe2 ile doldurulan yüzeyin ciddi derecede daha fazla aşındığı tespit edilmiştir. Bunun sebebinin Fe2 ile doldurulan numunenin yüzeyinde 400 °C'de ince ve zayıf oksit tabakasın oluşması ve test esnasında kırılarak fazla malzeme kaybına sebep olduğu düşünülmektedir. Fe2'ye benzer kimyasal kompozisyona sahip Fe1 kaynak elektrotunun Fe2'den farklı olarak içerdiği 4% Mo katkısıyla 400 °C 'de daha kalın ve dayanıklı oksit tabakası oluşturduğu ve bu yüzden daha az malzeme kaybı yaşadığı düşünülmektedir 600 °C 'de Fe2'nin aşınma performansında ciddi bir iyileşme tespit edilmiştir. Numune yüzeyinde oluşan kalın ve sert oksit tabakasının aşınma performansını iyileştirdiği düşünülmektedir. 600 °C'de Fe1 ve altlık numunelerinde, 400 °C 'ye göre daha fazla aşınma gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bunun sebebinin Fe esaslı malzemenin tavlanma sıcaklığına yaklaşmasıyla beraber yapıda meydana gelen bir miktar yumuşama olabileceği düşünülmektedir. Aynı şekilde Co1 ve Co2 ile dolgu kaynağı tatbik edilmiş olan numuneler için 3 farklı sıcaklık mertebesinde (Oda Sıcaklığı, 400 °C ve 600 °C) 4N yük altında aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Oda sıcaklığındaki aşınma testinden elde edilen sonuçlara göre Co2 en az, altlık ise en fazla malzeme kaybı yaşayan numune olmuştur. Test esnasında oluşan oksit tabakalarının dayanıklılığı bu sıralamada belirleyici faktör olmuştur. 400 °C'de elde edilen verilere göre altlık en az, Co2 ise en fazla malzeme kaybı yaşanan numune olmuştur. Co2 numunesinde Co miktarı Co1'den daha fazla olduğu için, 400 °C 'de benzer özellikte (ince ve kırılgan) oksit tabakasından daha fazla oluşup, bununla orantılı olaraktan daha fazla malzeme kaybı gerçekleştiği düşünülmektedir. 600 °C'de ise Co1 ve Co2 numunelerinin aşınma performansında ciddi boyutta iyileşme tespit edilmiştir. Bunun sebebinin 400 °C nin üstü sıcaklıklarda Kobalt esaslı alaşımlarda oluşan kalın ve dayanıklı 〖Cr〗_2 O_3 ve CoO oksit tabakaları ve bunların yaptıkları yağlayıcı etki olduğu düşünülmektedir. Yine ihtiva ettiği daha fazla Co miktarına bağlı olaraktan Co2 numunesi 600 °C'de daha kalın ve dayanıklı 〖Cr〗_2 O_3 ve CoO tabakası oluşturarak, Co1 numunesine göre daha az malzeme kaybetmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, kalıp servis ömrünü uzatmaya en fazla katkı sağlayabilecek ve aynı zamanda kalıp işlenebilme şartlarına en uygun olan kaynak elektrotunun mevcut 4 farklı elektrot içinde Co1 olduğu tespit edilmiştir. Seçilen dövme kalıbının hasar geçmişi incelendiğinde, baskın hasar mekanizmasının çapak hattında meydana gelen aşınma olduğu görülmüştür. Bu bilgi doğrultusunda seçilen dövme kalıbının çapak hattı olması gerekenden ~3,5 mm kadar derin işlenmiş ve bu derinlik Co1 kaynak elektrodu ile doldurulmuştur. Kaynak işlemi sonrasında kalıp yüzeyi Cnc dik işleme merkezinde istenen parça ölçüleri elde edilecek şekilde yaklaşık 1 saat süren bir işleme tabi tutulmuştur. Bu işlemlerden sonra üretime alınan dövme kalıbı ile üretilebilen parça adedinin 1250 adetten, 1850 adede çıktığı; yani herhangi bir ilave işleme tabi tutulmamış haline göre %48 daha uzun bir servis ömrüne ulaştığı tespit edilmiştir.