Yüksek kromlu beyaz dökme demirlerin aşınma direncine alaşım elementlerinin ve ısıl işlemin etkisi
The effect of alloying elements and heat treatment on abrosive wear resistance of the high chromium white cast irons
Yazar: MUSTAFA M. ARIKAN
Danışman: PROF.DR. E. SABRİ KAYALI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 1999
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aşınma dayanımı = Wear resistance ; Dökme demir = Cast iron ; Isıl işlem = Heat treatment ; Krom = Chromium

Özet:
Yüksek kromlu beyaz dökme demirler; makul derecede tokluk ve işleme operasyonlarını kolaylaştıran tavlama imkanıyla birlikte mükemmel bir abrasiv aşınma direnci kombinasyonuna sahiptirler. Bu nedenlerden dolayı bir çok uygulama alanında artan miktarlarda kullanım bulmaktadırlar. Yüksek alaşımlı beyaz dökme demirler, cevher kırıcıları, öğütücü değirmen bilyaları, çeşitli astarlar, tarım alet ve makinaları, pistonlar ve dişlileri, çeşitli konveyörler, grayder bıçakları, çeşitli pompalar, pabuçlar, diskler, tuğla kalıpları, segmanlar ve çubuklar, madencilik ve mineral sanayii gibi yüksek abrasiv aşınma direnci gerektiren yerlerde kullanılmaktadırlar. Bu uygulamalarda kullanılan malzemelerin aşınması maddi zararlara ve iş kayıplarına sebep olmaktadır. Bundan dolayı daha sert ve aşınmaya daha dayanıklı malzemelerin geliştirilmesi gerekmektedir. Yüksek krom-molibden alaşımlı beyaz dökme demirler bu amaca en uygun malzeme gruplarından biridir. Bu çalışmanın amacı alaşım elementlerinin ve ısıl işlemlerin yüksek Cr-Mo'li beyaz dökme demirlerin aşınma direncine etkilerini incelemektir. Bunun için yüksek kromlu beyaz dökme demir malzemeye çeşitli oranlarda Nb, Ti ve V ilave edilmiş ve çeşitli ısıl işlemler uygulanmıştır. %15 Cr, %2,5 Mo, %2,5 C içeren baz malzemeye %0,24 ve %0,74 Nb, %0,096, %0,253 ve %0,376 Ti, %0,14, %0,53 ve %0,72 V ilave edilmiş ve bu malzemelere 1000°C ve 1050°C'da 6 saat süreyle ostenitleme ısıl işlemi uygulanmıştır. Daha sonra numunelere havada su verilmiştir. Daha sonra su verilen bu numunelere 250°C'da 6 saat temperleme işlemi uygulanmıştır. Her bileşim ve ısıl işlem durumu için metalografi numuneleri hazırlanmış ve standart parlatma metodları ile parlatılarak dağlanmışlardır. Bu numuneler üzerinde optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu ile mikroyapı incelemesi, bazı numuneler üzerinde de noktasal faz analizleri yapılmış ve mikroyapı fotoğrafları çekilmiştir. Yapılan metalografik incelemeler sonucunda, ısıl işlem görmemiş döküm halindeki bütün malzemelerin mikroyapısımn kromca zengin birincil karbürler, molibdence zengin ikincil karbürler ve Fe-Cr ferrit katı eriyik matristen ibaret olduğu belirlenmiştir. Malzemelere ısıl işlem uygulandıktan sonra matris martensit'e dönüşmüş ve mikroyapıda kromca zengin birincil karbürlere ve molibdence zengin ikincil karbürlere ilaveten, Nb içeren malzemelerde niyobyumca zengin ikincil karbürler, Ti içeren malzemelerde ise titanyumca zengin ikincil karbürler çöke! mislerdir. V içeren malzemelerde ise vanadyumca zengin ikincil karbür çökelmesi gözlenmemiştir. Isıl işlem görmüş Ti içeren malzeme grubunda 1050°C'dan havada su verilenlerin yapısındaki kromca zengin birincil karbürlerin daha masif bir yapıya sahip oldukları belirlenmiştir. Numunelerin her işlem sonrası sertliği ölçülmüş, abrasiv aşınma deneyleri yapılmıştır. Abrasiv aşınma deneylerinde 16 mm çapında ve 30 mm yüksekliğinde silindirik numuneler kullanılmıştır. Aşınma deneylerinden önce numunelerin yüzeyleri 800 no'ya kadar zımparalanmış ve hassas terazide tartılmışlardır. Daha sonra 60 ve 120 no A1203 esaslı zımpara ile 4,65 m'lik kayma yolu için 0,24 MPa'lık basma gerilmesi altında oda sıcaklığında aşınma deneyleri yapılmış ve tekrar ağırlık ölçümleri yapılmıştır. Deney öncesi ve sonrasındaki ağırlık farkları hesaplanarak ağırlık kayıpları tespit edilmiştir. Isıl işlem uygulanmış malzemelerde sertlik değerleri döküm haline göre artmıştır. En yüksek sertlik değerlerini veren ısıl işlem; 1000°C'da 6 saat ostenitlemeden sonra havada su verme işlemidir. Su verme işleminden sonra yapılan temperleme ısıl işlemleri malzemelerin sertliklerinde düşüşe yol açmaktadır. Malzemelerin 1050°C'da ostenitlenip havada su verilmesiyle elde edilen sertlik değerleri 1000°C'da ostenitlenip havada su verme ile elde edilen değerlerden düşük olmasına rağmen 1050°C'dan su verme ile elde edilen aşınma direnci değerleri 1000°C'dan su verme ile elde edilen aşınma direnci değerlerinden daha yüksektir. En yüksek aşınma direnci değerlerini veren ısıl işlemin 1050°C'da ostenitlemeden sonra havada su verme işlemi, en düşük aşınma direnci değerlerini veren ısıl işlemin ise 1000°C'da ostenitlemeden sonra havada su vermeyi müteakip 250°C'da temperleme işlemi olduğu tespit edilmiştir. En yüksek aşınma direncini veren malzeme grubunun ise Ti ile alaşımlanmış malzeme grubu olduğu belirlenmiştir. 60 no zımpara 120 no zımparaya göre daha kalın taneli abrasiv partiküllere sahip olduğundan dolayı malzemeleri daha çok aşındırmakla birlikte her iki zımparalarla yapılan aşınma deneylerinden birbirine paralel sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
The high-chromium white cast irons possess a combination of excellent abrasion resistance together with a reasonable degree of toughness and the possibility of annealing to facilitate machining operations. For these reasons they are finding increasing use in many fields of application. The high alloy white cast irons are primarily used for abrasion resistant applications such as slurry pumps, ore classifiers, brick molds, impeller blades and liners for shot blasting equipment, refine disks in pulp refiners, impact hammers, roller segment and ring segment in coal grinding mills, feed and lifter bars and mill liners in ball mills for hard-rock mining, tillage tools, bucket teeth, scraper blades, screw conveyors and grain handling equipment. In these applications, wear of materials causes economical waste and production losses. For this reason, the materials which are much harder and wear resistant must be improved. High Cr-Mo white cast irons are one of the suitable group of the materials for this aim. The aim of this study is to investigate the effects of alloying elements and heat treatments on wear resistance of high Cr-Mo white cast irons. For this purpose, varying amounts of Nb, Ti and V were added and some heat treatments were applied to the high chromium white cast irons. 0,24% and 0,74% Nb; 0,096%, 0,253% and 0,376% Ti; 0,14%, 0,53% and 0,72% V were added to the base material: 15% Cr, 2.5% Mo, 2.5% C. These materials were austenitized at 1000°C and 1050°C for 6 hours. After austenitizing they were air- quenched. Then quenched materials were tempered at 250°C for 6 hours. Metallographic specimens were prepared for each composition and heat treatment condition. These specimens were polished by standard polishing methods and then etched. Optical and scanning electron microscopy examinations were carried out and some photographs were taken on the microstructures of the specimens. During Scanning Electron Microscope examinations, EDS analyses were also made on some of the specimens. It was detected from the metallographic examinations that microstructures of all as-cast materials had chromium-rich primary carbides, molybdenum-rich secondary carbides and Fe-Cr ferrite solid solution matrixes. Matrixes of the specimens transformed to the martensite after heat treatments and titanium-rich secondary carbides precipitated in the specimens containing Ti, niobium-rich secondary carbides precipitated in the specimens containing Nb, in addition to the chromium-rich primary carbides and molybdenum-rich secondary carbides in the microstructure. Vanadium-rich secondary carbide precipitation in the specimens containing V was not observed. It was detected that chromium-rich primary carbides in the specimen group containing Ti which was air-quenched after austenitizing at 1050°C for 6 hours had more massive structures. Rockwell hardness and abrasive wear tests were carried out on each specimen. Cylindrical specimens which have a diameter of 16 mm and a height of 30 mm were used in the abrasive wear tests. Surfaces of the specimens were ground by sandpaper up to 800 grid and their weights were measured by a sensitive scale before the wear tests. Then wear tests were performed by Aİ203-based 60 and 120 grid abrasive papers under the compression stress of 0,24 MPa for 4,65 m sliding length at the room temperature. After performing the abrasive wear tests, weights of the specimens were measured again and weight losses were detected by calculating the weight differences before and after the wear tests. Hardness values of the as-cast materials increased after heat treatment. Heat treatment giving the highest hardness values was giving the highest abrasive wear resistance had been air-quenching after austenitizing at 1050°C and heat treatment giving the lowest wear resistance had been tempering at 250°C after air-quenching from 1000°C. It was also found that material group giving the highest abrasive wear air-quenching after austenitizing at 1000°C for 6 hours. Tempering heat treatments after air-quenching resulted in drop in the hardness values of the materials. Although hardness values of the materials obtained from the air-quenching after austenitizing at 1050°C were lower than those obtained from the air-quenching after austenitizing at 1000°C, abrasive wear resistance values obtained from air-quenching after austenitizing at 1050°C were higher than those obtained from the air-quenching after austenitizing at 1000°C. It was detected that heat treatment resistance values had been the material group alloyed with Ti. Parallel results were obtained from the wear tests carried out with both 60 grid and 120 grid abrasive papers, although 60 grid abrasive paper abraded the materials more than the 120 grid abrasive paper did, since 60 grid abrasive paper had coarser abrasive particles compared to the 120 grid abrasive paper.