Katı çözelti sertleşmeli küresel grafitli dökme demirlerin üretimi ve mekanik özelliklerinin östemperleme ısıl işlemiyle iyileştirilmesi
Production of solution strengthened ductile cast iron and improvement of the mechanical properties by austempering heat treatment
Yazar: SONER ÖZDEN ERTÜRK
Danışman: PROF. DR. AHMET ÖZEL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Küresel grafitli dökme demirler; otomotiv sektörü yapısal uygulamalarında, tarım ve inşaat ekipmanları üretimi alanlarında, çekme mukavemetinin yüksek olamsı , aşınma direncinin iyi olması, yüksek tokluk özelliği, düşük ergime sıcaklığına bağlı yüksek akışkanlık ve çekinti eğilimiyle, nihai kullanım geometrik biçimine en yakın şekilde üretilebilirliği sayesinde yaygın bir kullanım alanına sahiptir.  Aynı zamanda çelik malzemeler kadar iyi mekanik özellikleriyle ve dökme demir sınıfında olmasından kaynaklı kolay üretilebilirlikleriyle de bilinirler. Gereksinimleri karşılaması, tasarımcı ve dökümcü için bu malzemeyi özel kılar. Silisyumla katı çözelti mukavemetlendirilmiş ferritik küresel grafitli dökme demirler de yapısal bir malzeme olarak yaygınlaşmaya başlamıştır ve çekme mukavemetleri 450–600 MPa'a kadar EN1563:2011'de tanımlanmıştır. Katı çözelti mukavemetlendirmeli küresel grafitli dökme demirde Si içeriğiinin 3.0–4.3%  mertebesine yükselmesiyle, döküm haldeki matriks yapısı tek fazlı ferritik hale dönüşür ve çekme mukavemeti  450-600 MPa seviyesine, kopma uzaması ise perlitik-ferritik standart seriye göre sırasıyla 10%, 7%, ve 4%'den  18%, 14%,ve 10%'a kadar yükselmektedir. Bu çalışma, numunelerin üretildiği döküm fabrikası için öncelikle bir Arge çalışması ihtiva etmiştir. Isıl işlem malzeme özelliklerini geliştirmede etkin bir yöntemdir ve bu yeni sınıf küresel grafitli dökme demir malzemeye ısıl işlem uygulanabilmektedir. Ancak demir yapısında dönüşüme uğrayan bileşenler konusunda bir kısıtlama vardır.  Bu kısıtlamalar Ac1 sıcaklığının üzerinde var olan perlit ve östeniti kapsar. Perlit tane sınırlarında çökelebilmektedir ve bu duurm mekanik özellikleri önemli ölçüde düşürmektedir. Küreselgrafitli dökme demiri Ac1 sıcaklığı üzerine ısıtmanın mekanik özelliklere bir etkisi yoktur sadece eser miktarda perliti yokeder. Yüksek silisli küresel grafitli dökme demiri Ac1 sıcaklığının üzerinmde bekletmek ise karbonun demir-silid çözeltisinde çözülmesine yol açar. Bu da soğutma sonrası daha yüksek çekme mukavemetine fakat daha düşük darbe mukavemeti ile sonuçlanır. Bu çalışmada yeni bir sınıf küresel grafitli dökme demir olan EN GJS 500-14'ün östemperleme ile mekanik özelliklerinin iyileştirilmesine çalışılmıştır.  Silisyumun etkisi, dökme demirlerden bilindiği gibi katı çözelti mukavemetlenmesi ve karbür oluşumlarının engellenmesidir.  Bu yüksek silisyumlu küresel grafitli dökme demirin östemperlenebilirliği; mikroyapılar, mekanik özelliklerle (sertlik ve çekme test sonuçları), SEM ve XRD sonuçlarının karşılaştırılarak yorumlanması ile gerçekleştirilmiştir. Numuneler  iki grup haline  900°C ve 950°C de östenitlenmiş, 1 saat beklenmiş ve 250°C ,300°C, 350°C  ve 400°C'de,  her bir sıcaklıkta 5,15,30,60,90 ve 120 dakika östemperlenmiştir.

Abstract:
Ductile cast iron materials have been used in extensively structural applications in the automotive, agricultural, and industry of construction equipments due to its properties as; high tensile strength, good wear resistance, high ductility, low melting temperature and shrinkage, the high fluidity, and cost-effective way to produce near net shape components. The ductile cast iron material has mechanical properties as good as steels and has ease of manufacture of cast irons. Meeting the demands that designers make of a component is a special challenge for the caster. . The silicon solution-strengthened ferritic ductile cast iron material is being widely used as a structural material with its relatively high tensile strength specified as being up to 450–600 MPa in EN1563:2011. With the increase of the silicon content of 3.0–4.3% solution-strengthened ferritic ductile cast irons, the as-cast matrix structure is just single ferrite phase and the tensile strength is increased to 450–600 MPa by solid-solution strengthening mechanism. And also, the elongation at rupture values increased from 10%, 7%, and 4% to 18%, 14%, and 10%, respectively. Heat treatment is an efficient way to improve material properties, and this new grade ductile iron is also heat treatable. But there are some constituents participating in the transformations exits in only a very small volume of the iron structure. These constituents include pearlite/austenite in the temperatures above Ac1. However, pearlite can participate in the grain boundaries, where it has an influence on the mechanical properties. Heating the ductile iron above the Ac1 does not influence mechanical properties, as only traces of pearlite are removed. Holding the high silicon ductile iron at temperatures above the Ac1 causes carbon to dissolve in the grains of iron-silicon solution. After cooling, the iron has higher tensile strength but lower impact strength. In this study, the austempering behavior of a new ductile iron grade material EN GJS 500-14 has been investigated. The effect of silicon for  inhibition the iron carbides formation and the solution strengthening effect is known in ductile cast irons. The austemperability of this high silicon containing  cast material was researched by characterization of  microstructures, mechanical properties; hardness and tensile test results and also SEM and XRD have been performed and relationship between mechanical properties has been described . The samples has been austenitized at 950°C for 1 hour and austempered at 250°C ,300°C, 350°C  and 400°C and at 5,15,30,60,90 and 120 minutes respectively.