Östemperlenmiş küresel dökme demir (ADI) krank millerinin östemperleme ısıl işleminin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Dökme demir malzemeler yapısında %2-5 arasında karbon elementi bulunduran demir-karbon-silisyum alaşımlarıdır. Endüstride çok fazla uygulamada kullanılan bu malzemelerin mekanik ve fiziksel özelliklerini iyileştirmek için çeşitli ısıl işlem yöntemleri kullanılmaktadır. Küresel dökme demir malzemelerin mekanik özelliklerini iyileştirmek için tuzda soğutma yöntemiyle yapılan ısıl işleme östemperleme ısıl işlemi ve oluşan ürüne östemperlenmiş dökme demir denir. Östemperlenmiş dökme demir (ADI) malzemeler, yüksek dayanım, süneklik ve aşınma direnci gibi özellikleri nedeniyle otomotiv ve savunma sanayi gibi endüstrilerde dövme çelik alternatifi olarak giderek daha fazla tercih edilmektedir. Ancak, ADI malzemelerin üretiminde kritik bir aşama olan östemperleme ısıl işleminin tasarımı deneysel maliyeti yüksek olduğu için zorlu bir süreçtir. Bu nedenle, östemperleme prosesinin tasarımını daha ekonomik hale getirmek için sayısal ve analitik yöntemler kullanılmaktadır. Östemperleme ısıl işleminin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi, literatürde çeliklerin su verilmesi ısıl işleminin incelenmesine göre daha az araştırılmıştır. Ayrıca, döküm işleminin malzeme özelliklerini etkilemesinden kaynaklı, dökme demir malzemelerin ısıl işlem simülasyonları için gerekli sıcaklığa bağlı sağlıklı malzeme verilerine ulaşmak oldukça zordur. Bu bağlamda, çalışmanın amacı, EN-GJS-700 malzemeden üretilmiş bir krank mili için sonlu elemanlar yöntemi kullanarak ısıl işlem simülasyonu gerçekleştirmek ve simülasyon sonuçlarını deneysel verilerle karşılaştırmaktır. Bu amaçla, ABAQUS yazılımı kullanılarak simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Sağlıklı malzeme verilerine ulaşmak amacıyla dilatometri, diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve lazer flaş yöntemi (LFY) analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler için gerekli numuneler, ENGJS-700 standardına uygun dökülmüş Y bloklardan elde edilmiştir. Analizler 10 ℃/dak ısınma hızlarıyla gerçekleştirilmiştir. Ölçülen değerler literatürdeki veriler ile karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. Sonlu elemanlar analizi, krank milinin 920 ℃ sıcaklıktan 280℃'e tuz banyosuna sokulması ve burada 2 saat bekletilmesi senaryosunu incelemiştir. Simülasyonda krank miline 5mm tetrahedral mesh atılmıştır. Analiz için gerekli ısı taşınım katsayıları AS-135 tuzu soğuma eğrilerinden elde edilmiştir. Sonlu elemanlar simülasyonu sonucu krank milinin kasnak, 1. ana yatak ve volan bölgesinin en yavaş soğuyan bölgeler olduğu görüşmüştür. Bu bölgelerde oluşacak fazların tahmini literatürden elde edilen sürekli soğuma diyagramını (CCT diyagramı) kullanılarak yapılmıştır. Yapılan tahminler sonucu, 920 ℃'deki östenit fazının 280℃'de 2 saat bekletilmesi sonucunda, kasnak ve 1. ana yatak bölgesinde %100, volan bölgesinde %99 ösferrite dönüşeceği öngörülmüştür. Yapılan tahminler, optik mikroskop ile alınan metalografik görüntüler ile karşılaştırılmıştır. Buna göre volan, kasnak ve 1. ana yatak bölgesinde %100 ösferrit oluştuğu gözlenmiştir. Bu sonuçlar, simülasyon çalışmasının kasnak ve 1. ana yatak bölgesi için %100 doğrulukla çalıştığını ve volan bölgesinde %1'lik hata oranıyla tahmin yaptığını belirtmiştir. Bu çalışma, literatüre EN-GJS-700 malzemenin ısıl karakterizasyonunu kazandırmakla kalmayıp, aynı zamanda karmaşık geometrili parçaların ısıl işlem süreci tasarımlarında sonlu elemanlar yönteminin kullanımını da hedeflemektedir.