Yüksek krom ve nikelli çeliklerin aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of wear behaviour of high chromium and nickel steels
Yazar: YAVUZ SUN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2004
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
YÜKSEK KROM VE NİKELLİ ÇELİKLERİN AŞINMA DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ ÖZET Bu çalışmada, % 0.4 mertebesinde C içeren, yüksek Cr ve Ni'li (sırasıyla % 18-27 ve % 5-20 ) çeliklerin mekanik ve korozyon özellikleri ile aşınma direncine bileşimin (Ni içeriği) ve ısıl işlemin (yaşlandırma ısıl işlemi) etkisi incelenmiştir. İncelenen çeliklerin yaşlandırma işlemi, birbirini takip eden iki adımda uygulanmıştır. Birinci adımda, çelikler 1200°C'de 6 saat tutulmuş ve ardından su verilmiştir. İkinci adımda 750°C'de 1 8 saat yaşlandırılmış ve havada soğutulmuştur. Bu çalışma kapsamında, söz konusu çeliklerin mikroyapısal karakterizasyonu, mekanik deneyleri, korozyon deneyleri, kuru ortam ve korozif ortam aşınma deneyleri yapılmıştır. Mikroyapısal karakterizasyon, mikroyapı incelemeleri ve x-ışını difraksiyonu analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Mekanik özellikler, sertlik ölçümü ve oda sıcaklığında darbe deneyleri ile belirlenmiştir. Korozyon deneyleri, konsantrasyonu % 1-10 arasında değişen NaCl, H2SO4 ve FeCİ3 çözeltileri içerisine belirli boyutlardaki numuneler daldırarak yapılmış ve sonuçlar numunelerin ağırlık kayıpları ölçülerek değerlendirilmiştir. İncelenen çeliklerin aşınma davranışları, metal-metal, metal-abrasif ve ileri-geri aşınma deneyleri ile belirlenmiştir. Metal-metal aşınma deneyleri M2 kalite takım çeliğinden yapılmış disk üzerinde numunelere 6.7 N ile 40 N arasında değişen 4 farklı yük uygulayarak normal atmosferik koşullarda gerçekleştirilmiştir. Metal- abrasif aşınma deneyleri oda sıcaklığı ile 600°C arasındaki çeşitli sıcaklıklarda 40 N yük altında 125 um boyuta sahip abrasiv AI2O3 taneleri üzerinde yapılmıştır. Metal- metal ve metal-abrasif aşınma deneylerinde 4 mm çapında numuneler kullanılmış ve deney sonuçlan ağırlık kaybına göre değerlendirilmiştir. İleri-geri aşınma deneyleri, ASTM G 133 standardına göre dizayn edilmiş aşınma test cihazında, normal atmosferik koşullarda ve konsantrasyonu % 0-10 arasında değişen 3 farklı çözeltide (NaCl, H2SO4 ve FeC^) gerçekleştirilmiştir. Normal atmosferik koşullarda yapılan aşınma deneyleri süresince 10 mm çapında AI2O3 bilya ile numuneler üzerine 9 N yük uygulanmış olup, deneyler 3 farklı hızda (26 mm/s, 55 mm/s ve 87 mm/s) yapılmıştır. Korozif aşınma deneyleri, 3 N yük altında ve 26 mm/s kayma hızında gerçekleştirilmiştir. Deney sonrasında numunelerin yüzeyinde oluşan aşınma izleri profilometre cihazında belirlenmiş ve aşınma miktarı mm2 cinsinden aşınma iz alam (alan kaybı) olarak değerlendirilmiştir. Mikroyapısal çalışmalar, incelenen çelikler arasında en düşük Nieş değerine sahip olan çeliğin (% 14.9) ferritik, diğerlerinin (Nieş % 19.8-31.5) ise ostenitik matrise sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır. Gerek döküm halinde ve gerekse yaşlandırılmış çeliklerde mikroyapıda bulunan baskın karbür G^Ce olarak belirlenmiştir. xvııYaşlandırma ısıl işlemi ile % 23.6 ve % 31.5 Nieş değerine sahip ostenitik matrisli çeliklerin mikroyapısında sigma fazı çökelmiştir. Gerek döküm halinde ve gerekse yaşlandırılmış durumda çeliklerin sertliği, Ni^ değerinin artması ile azalmıştır. Yaşlandırma ısıl işlemi sertliği olumlu yönde etkilemiştir. En yüksek darbe enerjisi, Cr içeriği en düşük (% 20.3) olan, % 19.8 Nieş değerine sahip çelikte elde edilmiştir. Çeliğin tokluğu yaşlandırma ısıl işlemi ile azalmıştır. İncelenen çeliklerin NaCl çözeltisi içerisinde yapılan korozyon deneyleri, en düşük Cr içeriğine sahip (% 19.8 Nieş) çelik hariç tutulacak olursa, diğer çeliklerde ölçülebilir ağırlık kaybı meydana gelmediğini ortaya çıkarmıştır. H2SO4 ve FeCİ3 çözeltilerinde incelenen çeliklerin korozyon dirençleri çözelti konsantrasyonunun artması ile azalmıştır. Döküm halindeki çeliklerin Nieş değeri artarken, düşük H2SO4 ve FeCİ3 (% 1-3.5) çözeltileri içerisinde korozyon direnci azalmış, yaşlandırılmış çeliklerin ise tüm konsantrasyonlarında korozyon direnci artmıştır. Düşük Nieş değerine (% 14.9) sahip çeliklerin korozyon direnci uygulanan yaşlandırma ısıl işlemi ile azalırken, % 23.58 ve % 31.5 Nieş değerine sahip çeliklerin korozyon direnci yaşlandırma ısıl işlemi ile artmıştır. Metal-metal aşınma deneylerinde, deney basıncının çeliğin sertliğine bölünmesiyle hesaplanan normalize basınç, 8xl0"3'den küçük olduğu durumlarda oksitlenmeli aşınma, büyük olduğu durumlarda şiddetli aşınma etkin mekanizmadır. Oksitlenmeli aşınma koşullarında aşınma direnci Nieş değeri ve tokluğunun azalması ve sertliğin artması ile artmıştır. Şiddetli aşınma koşullarında aşınma direnci kimyasal bileşim (Nieş değeri) ve mekanik özelliklerden (serlik ve darbe enerjisi) bağımsızdır. Metal-abrasif aşınma deneylerinde deney sıcaklığının artması ile aşınma direnci azalmıştır. Ostenitik matrise sahip yaşlandırılmış çelikler yüksek sıcaklıklarda döküm halindeki çeliklerden daha düşük aşınma direnci sergilemiştir. Döküm halindeki çeliklerin yüksek sıcaklık abrasif aşınma direnci belirli Nieş değerine kadar artmakta (% 23.6), daha yüksek Nieş değerinde ise sabit kalmaktadır. Yaşlandırılmış çeliklerde ise Ni eşdeğerinin artması ile aşınma direnci azalmaktadır. Normal atmosferik koşullarda döküm halindeki çeliklerde ileri-geri aşınma direnci, Nieş değerinin ve kayma hızının artması ile artarken yaşlandırılmış çeliklerin aşınma direnci gerek kayma hızından ve gerekse Ni eşdeğerinden bağımsızdır. NaCl, H2SO4 ve FeCİ3 çözeltileri içerisinde yapılan korozif aşınma deneylerinde Nieş değerinin ve çözelti konsantrasyonunun artması ile aşınma direnci azalmıştır. Yaşlandırılmış çelikler döküm haline nazaran daha yüksek korozif aşınma direnci göstermiştir. NaCl ve H2SO4 çözeltileri içerisinde yaşlandırma işleminin olumlu etkisi daha belirgindir. xviii

Abstract:
YÜKSEK KROM VE NİKELLİ ÇELİKLERİN AŞINMA DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ ÖZET Bu çalışmada, % 0.4 mertebesinde C içeren, yüksek Cr ve Ni'li (sırasıyla % 18-27 ve % 5-20 ) çeliklerin mekanik ve korozyon özellikleri ile aşınma direncine bileşimin (Ni içeriği) ve ısıl işlemin (yaşlandırma ısıl işlemi) etkisi incelenmiştir. İncelenen çeliklerin yaşlandırma işlemi, birbirini takip eden iki adımda uygulanmıştır. Birinci adımda, çelikler 1200°C'de 6 saat tutulmuş ve ardından su verilmiştir. İkinci adımda 750°C'de 1 8 saat yaşlandırılmış ve havada soğutulmuştur. Bu çalışma kapsamında, söz konusu çeliklerin mikroyapısal karakterizasyonu, mekanik deneyleri, korozyon deneyleri, kuru ortam ve korozif ortam aşınma deneyleri yapılmıştır. Mikroyapısal karakterizasyon, mikroyapı incelemeleri ve x-ışını difraksiyonu analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Mekanik özellikler, sertlik ölçümü ve oda sıcaklığında darbe deneyleri ile belirlenmiştir. Korozyon deneyleri, konsantrasyonu % 1-10 arasında değişen NaCl, H2SO4 ve FeCİ3 çözeltileri içerisine belirli boyutlardaki numuneler daldırarak yapılmış ve sonuçlar numunelerin ağırlık kayıpları ölçülerek değerlendirilmiştir. İncelenen çeliklerin aşınma davranışları, metal-metal, metal-abrasif ve ileri-geri aşınma deneyleri ile belirlenmiştir. Metal-metal aşınma deneyleri M2 kalite takım çeliğinden yapılmış disk üzerinde numunelere 6.7 N ile 40 N arasında değişen 4 farklı yük uygulayarak normal atmosferik koşullarda gerçekleştirilmiştir. Metal- abrasif aşınma deneyleri oda sıcaklığı ile 600°C arasındaki çeşitli sıcaklıklarda 40 N yük altında 125 um boyuta sahip abrasiv AI2O3 taneleri üzerinde yapılmıştır. Metal- metal ve metal-abrasif aşınma deneylerinde 4 mm çapında numuneler kullanılmış ve deney sonuçlan ağırlık kaybına göre değerlendirilmiştir. İleri-geri aşınma deneyleri, ASTM G 133 standardına göre dizayn edilmiş aşınma test cihazında, normal atmosferik koşullarda ve konsantrasyonu % 0-10 arasında değişen 3 farklı çözeltide (NaCl, H2SO4 ve FeC^) gerçekleştirilmiştir. Normal atmosferik koşullarda yapılan aşınma deneyleri süresince 10 mm çapında AI2O3 bilya ile numuneler üzerine 9 N yük uygulanmış olup, deneyler 3 farklı hızda (26 mm/s, 55 mm/s ve 87 mm/s) yapılmıştır. Korozif aşınma deneyleri, 3 N yük altında ve 26 mm/s kayma hızında gerçekleştirilmkiştir. Deney sonrasında numunelerin yüzeyinde oluşan aşınma izleri profilometre cihazında belirlenmiş ve aşınma miktarı mm2 cinsinden aşınma iz alam (alan kaybı) olarak değerlendirilmiştir. Mikroyapısal çalışmalar, incelenen çelikler arasında en düşük Nieş değerine sahip olan çeliğin (% 14.9) ferritik, diğerlerinin (Nieş % 19.8-31.5) ise ostenitik matrise sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır. Gerek döküm halinde ve gerekse yaşlandırılmış çeliklerde mikroyapıda bulunan baskın karbür G^Ce olarak belirlenmiştir. xvıımicrostructures was Cr23C6- Sigma (c) phase appeared after aging in the microstractures of steels having 23.6 % and 31.5 % Nieq values. Hardness survey of the as-cast and aged steels revealed decrease of hardness with increasing Nieq value. Aging improved the hardness. Maximum impact resistance (toughness) was obtained from the steel having 19.8 % Nieq value whose Cr content was the lowest (18 %). For a given Nieq value, toughness decreased upon aging in steels containing 25-27 % Cr During corrosion tests of the examined steels in NaCl solution, no measurable weight loss was evident, with the exception of the steel containing the lowest Cr. Corrosion resistance of the investigated steels in the H2SO4 and FeCl3 solutions decreased with increasing concentration of the solution. In low concentrations (1 % and 3.5 %) corrosion resistance of the as-cast steels decreased with increasing Nieq value and that of the aged steels increased with increasing Ni content in the entire concentrations. Corrosion resistance of the steels having 14.9 % and 19.8 % Nieq values decreased upon aging while that of the steels containing 23.6 % and 31.5 % Nieq increased with aging. In the metal-metal wear tests, wear progressed by the oxidative mechanism when the normalized pressure value, which was defined by as the ratio of test pressure to the hardness of the material, was lower than 8xl0"3. At normalized pressure values higher than 8xl0"3 the dominant mechanism was severe wear. In oxidative wear condition, wear resistance increased with decreasing Nieq value and toughness. Increasing hardness enhanced wear resistance. Under severe wear conditions chemical composition (Ni^) and mechanical properties (hardness and toughness) did not effect the wear resistance. The metal-abrasive wear resistance of the investigated steels decreased with increasing test temperature. At a given temperature, wear resistance of the aged steels having austenitic matrix was lower than that of the as-cast steels. Wear resistance of the as-cast steels increased up to a certain Nieq value (23.6 %) and subsequently remained constant. Wear resistance of the aged steels decreased gradually with increasing Nieq value. The increase of Ni content of the steels or sliding velocity of the reciprocating wear tester improved the wear resistance of the as-cast steels in the normal atmospheric conditions. However, the contributions of the composition and sliding velocity to the wear resistance were negligible for the aged steels. Corrosion wear tests performed in the NaCl, H2SO4 and FeCİ3 solutions revealed that corrosive wear resistance of the examined steels decreased with increasing Nieq value and concentration of the solution. Aged steels exhibited better corrosive wear resistance than as-cast steels. The effect of aging on the corrosive wear resistance was more evident in NaCl and H2SO4 solutions when compared to FeCİ3 solution. xx