Östemperlenmiş Yüksek Simo Ve Alsimo Katkılı, Küresel Ve Vermiküler Grafitli Dökme Demirlerin Karakterizasyonu - Özdemir, Alper (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016)
Her yıl giderek sıkılaşan emisyon standartları otomobil motor hacimlerini küçülmeye zorlamaktadır. Yirmi sene önce görmeye alışkın olduğumuz 2000-3000 cc motorlar yerini 1400-1600 cc motorlara bırakmışlardır. Bununla birlikte müşterilerin otomobillerden beklentileri performans bazında azalmamaktadır. Tüm bu kavramlar bir araya geldiğinde taşıtların hafifleme zorunluluğu kaçınılmaz olmuştur. Geleneksel motor malzemeleri olan alüminyum ve dökme demir alaşımlar halihazırda kendilerinden daha mukavemetli olan çelik akranlarından hafif olmakla birlikte motorlarda üretilen yüksek sıcaklık ve basınçlara dayanabilmenin eşiğindedirler. Yakıt tüketim ve dolayısla emisyon mevzuatları sadece taşıtların sıcak sistemlerini değil bütün parçalarını etkilemektedirler. Bu yasalara uyabilmek adına otomotiv aksamları her geçen yıl daha da hafiflemek durumundadırlar (camlar, polimer aksamlar, dökme demir parçalar vb.). Tüm otomotiv sektörü düşünüldüğünde güç aktarım organlarının bir taşıt üzerinde sebep olduğu ağırlık göze çarpmaktadır. Bu parçaların hafiflemesi mukavemet açısından kullanıma yönelik baskı oluşturmaktadır. Döküm paslanmaz çelikler otomotiv endüstrisi için çok ağır, östenitik dökme demirler ise çok pahalıdır. Özetle otomotiv endüstrisinin hem üreticileri hem de müşteriyi tatmin edecek yeni bir alaşıma ihtiyacı vardır. Bu çalışmanın amacı son zamanlarda fazlaca popülerleşen bir alaşımın özel bir ısıl işleme verdiği tepkinin araştırılması ve bu ısıl işlem sonrası malzemenin karakterize edilmesidir. Bu alaşım yüksek alüminyum ilave edilmiş bir çeşit SiMo dökme demir, bir diğer deyişle yüksek AlSiMo dökme demirdir. Sahip olduğu özellikler düşünüldüğünde otomotiv endüstrisi ve diğer bir çok ağır sanayii için büyük bir potansiyele sahip olduğu görülebilir. Alüminyum ilavesinin yüksek SiMo dökme demirlere olan etkisi daha önce incelenmiş, alaşım A1 faz geçiş çizgisini yükselttiği ve östenizasyonu geciktirdiği gözlemlenmiştir. Alüminyum bunun dışında yüzeyde termodinamik olarak kararlı alüminosilikat (Al2SiO5) ve demiralüminatların (FeAl2O4) oluşmasını sağlamış ve malzemenin yüksek sıcaklık direncinin artmasını sağlamıştır. Teorik modellemeler ve deneysel çalışmalar büyük uyum içinde tamamlanmıştır. Yüksek SiMo dökme demirleri alüminyum ile alaşımlayarak çalışma ortamlarındaki özelliklerini geliştirmek bir çeşit üretim öncesi işlemdir. Bu çalışmada araştırılan konu ise üretim sonrası bir işlem olarak malzemenin östemperlenmesidir. Son yıllarda östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirler ağır sanayide son derece popülerdir. Bunun bir numaralı sebebi işlemin sebep olduğu mikro yapısal değişimin malzemeye yüksek mukavemet ve aşınma direnci sağlamasının yanında malzemenin süneklik özelliklerinde ciddi bir düşüş yaşanmamasıdır. Östemperlenmiş dökme demirin kendine has asiküler ferritik beynit mikro yapısı malzemenin kırılma tokluğunu artırmaktadır. Malzemenin temperlenmiş martenzit eşlenikleri kırılgan olabilmekle birlikte üretimi için iki basamaklı bir ısıl işlem prosesi gerektirmektedir. Alüminyum ilave edilmiş yüksek SiMo içerikli dökme demir malzemenin östemperlenme ısıl işlemine verdiği tepki ve ısıl işlem sonucunda malzemede gözlemlenen değişimler bu çalışma kapsamında araştırılmıştır. Alaşım, literatürde daha önce çalısılmadığından ve kendine has bir ısıl işlem gerektirdiğinden dolayı bazı yenilikler ortaya koyulmuş, bu yeniliklerin arkasında bulunan mekanizmalar açıklanmaya çalışılmıştır. Alüminyum varlığının sistematik artırılışıyla birlikte gerçekleştirilen ısıl işlemler sonucunda malzemenin mikroyapısal değişimleri gözlemlenmiş, konvansiyonel malzemeler ile karşılaştırılmıştır. Çalışma kapsamında yoğun olarak mikroyapısal incelenmeler yapılmış ve proses parametrelerinin sebep olduğu her değişiklik kaydedilmiştir. Üç farklı değişken olarak östemperleme sıcaklığı, süresi ve alaşımın alüminyum kompozisyonu belirlenmiş, bu doğrultuda birbirinden farklı 45 numune üretilmiş 300’ün üstünde mikroyapı fotoğrafı çekilmiş ve bir kısmı ekler bölümünde sunulmuştur. Yardımcı karakterizasyon yöntemleri olarak her numunenin ayrıca sertlik ölçümleri yapılmıştır. Morfolojik anlamda ince beynitik yapıların martenzitten ayrımı zor olduğundan dolayı XRD ölçümleri alınmıştır. Faz tayini dışında göreceli kalıntı östenit oranlarının saptanması konusunda yine XRD sonuçları büyük önem arz etmektedir. Çalışılan alaşım kompozisyonu A1 sıcaklığını yükselterek östenizasyon bölgesini şiddetli biçimde daralttığı için yüksek östenitleme sıcaklığında çalışmak gerekli olmuştur (1100o C). Bu durum matrisin karbon çözebilme kapasitesini kinetik anlamda artırmış ve tamamen östenitlenebilen matrislerde ısıl islem sonucunda hacimsel grafit miktarının oldukça düştüğü görülmüştür. Grafit tanelerinde ayrılan karbon atomları östenit tanelerini stabilize etmiş ve neticede yüksek oranda stabilize olmuş östenit içerikli ösferritik bir mikroyapı elde edilmiştir. Bunun dışında alüminyumun ferritleştirici etkisi %5’lik (ağ.) ilaveden sonra hâlihazırda alaşımda ağırlıkça %4 miktarda bulunan silikon ile birlikte kontrolden çıkmış ve malzemeyi tamamiyle östenitlemeyi 1100o C’de bile imkansız hale getirmiştir. Doğal olarak bu numunelerin karbon çözebilme kapasitesi tamamen östenitlenebilen numunelere göre daha düşük kalmış ve bu sebeple matriste bulunan grafit miktarı çok daha yoğun olarak kaydedilmiştir. Fakat bu durum grafit tanelerinin tane sınırları üzerinden difüzyonunun tespitine olanak sağlamış ve türünün tek örneği mikrofotoğraflarla indekslenmiştir. Alüminyum ilavesinin literatürde bulunmayan çarpıcı bir diğer etkisi ise beynitik koyu genişletici etkisinin tespitidir. % 0.5’lik numunelerin 15 dakikalık östemperlenme süresinde tamamının ösferritik yapıya dönmesi % 3’lük numunelerin ise aynı süre içinde martenzitik dönüşüm gösterdiği görülmüştür. Bu durumun % 5’lik numunelerde 60 dakikaya kadar uzaması alüminyum ilavesinin beynitik koyu genişlettiğini ve numunenin östemperlenmek yerine martemperlendiğini doğrulamaktadır. Sertlik ölçümleri ve XRD faz analizi sonuçları martenzit tespiti konusunda uyumlu olsa da alüminyumun beynitik koyu genişletici etkisinin ardındaki mekanizma henüz ortaya koyulamamıştır. Yüksek alüminyum içerikli (% 5) numunelerde kısmı östenizasyon sebebiyle ısıl işlem sonucunda dubleks matrisli bir mikroyapı elde edilmiştir. Mikroyapı incelemleri sırasında dökümden gelen ve östenitlenemeyen ferritik tanelerinin bir kısmının içinde yıldız şeklinde çökelen karbür benzeri yapıların varlığı tespit edilmiştir. YMK yapıdaki demir latisinde alüminyum çözünürlüğünün çok kısıtlı olması nedeniyle östenitlenebilen tanelerden ferrit tanelerine doğru alüminyum atomlarının yayındığı düşünülmektedir. Bu da ferrit tanelerin lokalize bir biçimde alüminyumca zenginleşmesine ve östemperleme sırasında kappa karbürlerinin çökelmesine sebep olmuştur. Termodinamik modellemeler hipotez ile uyumludur. Yapılması planlanan gelecek çalışmalar arasında diğer ileri karakterizasyon yöntemlerinin kullanılarak kappa karbürlerin varlığının kesin tespiti vardır. Bunun dışında özellikle östemperlenmiş dökme demirlerinin dönüşüm kaynaklı plastisite davranışı bilinmektedir. Bu sebeple yüksek oranda stabilize östenit ile sonuçlanacak şekilde üretilen parçaların plastik deformasyona nasıl tepki vereceği merak konusudur. Bu parçaların çekme ve charpy kırılma testleri ilerleyen zamanlarda yapılıp literatüre geçirilecektir. Yine aynı şekilde tane sınırlarında grafit yayınan numunelerin ilginç tribolojik özellikleri olabileceği öngörülmektedir ve gelecek iş planlarında araştırılması gereken bir diğer husus olarak düşünülmelidir.

Every year, tightening emission standards causing a reduction in engine volumes however desire for obtaining high power from an engine does not reduce. All the concepts meet and come up with simple consequence; light-weigthing the vehicle without causing a security flaw. Conventional engine materials such as aluminum alloys and cast irons are already ligther than their stronger steel equivalents however, increasing firing temperatures and pressures make them on the limit of utilization. Besides, not only hot systems of an automobile, but also every other component suffer from emission regulations because they all need to be lighter and lighter every year, including the windows, polymer consoles or any cast parts. Another big fraction of the heaviness of a vehicle comes from power train parts. For the same purpose, they also need to be shrink without creating weakness. Cast stainless steels are too heavy and austenitic cast irons are too expensive for being an automobile material. Briefly, automotive industry needs a new alloy that can satisfy both consumer and producer. The aim of this study is investigating a special kind of heat treatment of a recently very popular alloy, high aluminium added SiMo cast iron or with the other saying high AlSiMo cast iron. This alloy have very wide potential to be used in automotive and many other heavy industries. From previous investigations, it was observed that aluminum give rise to the A1 eutectoid line and thus retard the austenitization transformation. Other from that aluminum forms thermodynamically stable aluminosilicates (Al2SiO5) and ironaluminates (FeAl2O4) at the surface of the material, which provides high temperature oxidation resistance. Theoretical calculations and modellings had a good agreement with the experimental results. This alloying phenomenon is a pre-production treatment to enhance material`s properties in working conditions. However, in this study a post-production treatment is considered, austempering heat treatment of AlSiMo alloy. Nowadays, ADI (austempered ductile iron) is a very popular material in heavy industry. It brings high strength and wear resistance along with the ductility. ADI’s specific acicular ferritic bainite structure give rise to the fracture toughness of material. Its tempered martensite relatives suffer from brittleness and require two-step heat treatment for production. Enhanced mechanical properties make high AlSiMo material suitable for being vehicle components. Especially considering the reducible excess weight of components in order to provide enough sectional strength. In the light of such informations, it is decided to investigate microstructural response of the material to the austempering treatment in the presence of aluminum, mechanical properties of aluminum alloyed austempered cast irons and the phase transitions take place during the heat treatment. In consequence of investigations, it is found that aluminum has a bainitic bay expander property and with the gradual addition of aluminum, samples get martempered. 5 % Al (by wt.) addition makes impossible to fully austenitize the sample even at high temperatures as 1100o C, due to its ferrite stabilizer properties and as a result dual matrix microstructures are obtained. Other from that, a new kappa phase suggested according to thermodynamical modellings and also observed in micrographs. High austenitizing temperatures are promoted to dissolve most of the graphite volume in the matrix, in fully austenitized samples. Thus, in some samples high carbon concentration stabilized austenite phase presented which have larger fraction than ausferritic structure. Those are tought to have very high fracture toughness properties. However, in samples that cannot fully austenitize (ie. have less carbon solubility) graphite diffusion along the grain boundaries is observed from one of its kind micrographs.
Characterization Of Austempered Ductile And Vermicular Graphite High Simo And Alsimo Alloyed Cast Iron
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016
Keywords: Dökme Demir; Yüksek Simo; Östemperleme; Cast İron; High Simo; Austempering