Düşük alaşımlı beyaz dökme demirlerlerde farklı matris ve karbür morfolojilerinin aşınma ve tokluk özelliklerine etkileri
Effects of different matrix and carbide morphologies on wear and tough properties in low alloy white cast irons
Yazar: RUZİYE ÇAMKERTEN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERDOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, düşük alaşımlı beyaz dökme demirde (DABDD) farklı matris (perlitik, ferritik, ve ösferritik) yapıların ve karbür morfolojilerinin aşınma ve darbe tokluk özelliklerine etkileri incelenmiştir. Bu amaçla % 2.25 C, % 1.28 Si, % 0.24 Mn ve % 1.54 Cr bileşimli DABDD kullanılmıştır. Dökülmüş koşullardaki mikroyapıyı, perlitik matriste dağılmış ötektik karbürler oluşturmuştur. Ferritik matris ve bu matriste dağılmış küreselleşmiş ötektoid karbürler, arakritik ve kritik altı farklı sıcaklıklar ve sürelerde uygulanan tavlama ısıl işlemi ve ardından fırında soğutma ile elde edilmektedir.  Farklı arakritik sıcaklık ve sürelerde izotermal tavlama işlemi sırasında, küreselleşmenin gerçekleştiği işlem penceresi (küreselleştirme veya işlem pencereleri olarak adlandırılır) oluşmaktadır.  Bu küreselleşme pencereleri sabit arakritik sıcaklıklarında bekletme sırasında belirli bir zaman diliminde açılmakta ve kapanmaktadır. Küreselleştirme işlem pencerelerinin genişlikleri sıcaklığa ve zamana bağlı olarak değişiklik göstermekte ve artan ara kritik tavlama sıcaklıkları ile daralmaktadır. Yüksek ara kritik sıcaklıkta, küreselleştirme pencereleri içindeki küreselleştirme süresi, geleneksel kritik altı sıcaklıklardaki küreselleştirme süresinden (yaklaşık 6-12 saat) büyük ölçüde daha kısa sürede (yaklaşık 0,5 ila 3 saat) gerçekleşmektedir. Ayrıca perlit veya ayrılmış ötektoid dönüşüm (AÖD) tipinin belirlenmesinde ara kritik tavlama sıcaklık ve sürelerinin önemli bir rol oynadığı gözlemlenmektedir. DABDD'de ösferritik matris yapıyı oluşturmak için östemperleme ısıl işlemi uygulanmıştır. Östemperleme için, DABDD numuneler 900 °C'de 30 dakika östenitlenmiş, daha sonra 375 °C'de bir tuz banyosunda hızlı bir şekilde soğutulmuş ve bu sıcaklıkta 15 ila 120 dakika aralığında farklı sürelerde bekletilmiş, daha sonra durgun havada oda sıcaklığına soğutulmuştur. Östemperlenmiş numunelerin metalografik incelemeleri, tipik ösferritik (östenit+ferrit) yapıların dökülmüş koşullardaki DABDD  malzemesinin perlitik bölgelerinde oluştuğunu, ötektik karbür ağ yapısı ve morfolojisi ise fazla değişikliğe uğramadan korunduğunu göstermiştir. Küreselleştirilmiş numunelerin darbe testi sonuçları, ferritik matrisli küreselleştirilmiş DABDD'in darbe tokluğunun, perlit matrisli dökülmüş koşullardaki DABDD'lerin darbe tokluğuna göre yaklaşık olarak 3 ila 4 kat iyileştiğini göstermiştir. Tüm numuneler içerisinde en düşük aşınma direncini ferritik matrisli küselleştirilmiş DABDD'ler sergilemiştir. Östemperlenmiş numunelerin darbe testi sonuçları, ösferritik matrisli DABDD'nin, dökülmüş koşullardaki DABDD'e göre, neredeyse iki kat daha fazla darbe tokluğu değeri sergilediğini göstermiştir. Bu numunelerin aşınma direnci dökülmüş koşullardaki numunelere göre biraz daha yüksek olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, the effects of different matrix (pearlitic, ferritic, and ausferritic) structures and carbide morphologies on the wear and impact toughness properties of  low alloy white cast iron (LAWCI) have been investigated. For this purpose, LAWCI with a composition of 2.25% C, 1.28% Si, 0.24% Mn and 1.54% Cr was used. The microstructure in the cast conditions was formed by eutectic carbides dispersed in the pearlitic matrix. Ferritic matrix and spheroidized eutectoid carbides dispersed in this matrix are obtained by annealing heat treatment applied at different intercritical and subcritical temperatures and times, followed by cooling in the furnace. During the isothermal annealing process at different intercritical temperatures and times, the process window (called spheroidization or process windows) is formed where spheroidization takes place. These spheroidization windows open and close at a certain time period during holding at constant intercritical temperatures. The widths of the spheroidization process windows vary depending on temperature and time and narrow with increasing intercritical annealing temperatures. At the high intercritical temperature, the spheroidization time within the spheroidization windows is substantially shorter (about 0.5 to 3 hours) than the spheroidization time at conventional subcritical temperatures (about 6-12 hours). In addition, it is observed that the intercritical annealing temperatures and times play an important role in determining the type of pearlite or diversed eutectoid transformation (DET). Austempering heat treatment was applied to form the ausferritic matrix structure in LAWCI. For austempering, LAWCI specimens were austenitized at 900 °C for 30 minutes, then rapidly cooled in a salt bath at 375 °C and held at this temperature for different times in the range of 15 to 120 minutes, then cooled to room temperature in still air. Metallographic investigations of the austempered samples showed that typical ausferritic (austenite+ferrite) structures were formed in the pearlitic regions of the LAWCI material in cast conditions, while the eutectic carbide network structure and morphology were preserved without much change. Impact test results of the spheroidized samples showed that the impact toughness of spheroidized LAWCI with ferritic matrix improved approximately 3 to 4 times compared to the impact toughness of LAWCIs in perlite matrix cast conditions. The impact test results of the austempered specimens showed that the LAWCI with the ausferritic matrix exhibited almost twice the impact toughness value than the LAWCI in the cast conditions. The abrasion resistance of these samples was slightly higher than the samples in cast conditions.