Alaşımlandırılmış EN-GJS-500-7 kalite küresel grafitli dökme demirin mekanik, işlenebilirlik, yüksek sıcaklık aşınma, korozyon ve tribokorozyon davranışı
Mechanical, machinability, high temperature wear, corrosion and tribocorrosion behavior of alloyed EN-GJS-500-7 quality spheroidal graphite ductile iron
Yazar: EMRE AYDIN
Danışman: PROF. DR. HARUN MİNDİVAN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde, küresel grafitli dökme demirler (KGDD) çeliklere göre üstün mekanik özelliklere ve ekonomik avantajlara sahip olduğu için endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır ve imalatçılar spesifik mukavemeti (mukavemet/ağırlık oranı) artırmak için daha düşük kalınlıklarda KGDD'den parçalar geliştirmenin yollarını araştırmaktadır. Son zamanlarda yüksek mukavemet, işlenebilirlik, korozyon ve aşınma direnci, yüksek tribokorozyon performans gibi talepler arttığından, bu alanlara yönelik KGDD'lerin üretim teknolojisi üzerine çalışmalar gerçekleşmektedir. 
KGDD'lerin mekanik, işlenebilirlik, korozyon, aşınma ve tribokorozyon özellikleri büyük ölçüde metalurjik yapısı tarafından belirlenir. KGDD'lerin matrisinde ferrit ve perlitin uygun bir dengeye sahip olması, tatmin edici mukavemet, işlenebilirlik, korozyon, aşınma ve tribokorozyon performansı elde edilebilir. KGDD üretiminde, genellikle mikroyapıyı kontrol etmek ve malzemenin mekanik özelliklerini iyileştirmek için alaşım elementleri (Si, Mn, Cu, Cr, Sn ve Sb) kullanılır. Her bir alaşım elementi bağımsız olarak değerlendirilemez ve bunlar arasında bazı karmaşık etkileşimler görülebilir. Bu nedenle, alaşım elementlerinin miktarındaki uygun denge, KGDD'lerin üretiminde dikkatlice düşünülmelidir.
Demisaş A.Ş'den temin edilen 15 mm çapında EN-GJS-500-7 kalite perlitik/ferritik KGDD'ye alaşımlandırmanın (Mn, Cu ve Mn) mekanik, işlenebilirlik, korozyon, tribokorozyon ve yüksek sıcaklık aşınma davranışına etkisi incelenmiştir. 
Ağırlıkça hem % 0,8 Mn hem de %0,8 Cu ile alaşımlandırılan KGDD'nin grafit nodüllerinin sayısı azalırken boyutları da artmıştır. Alaşımsız KGDD büyük miktarda ferrit fazı içerirken, perlit hacim oranı alaşımlandırma ile birlikte genişledi. Alaşımlandırma ile perlit miktarı artarken, ferrit miktarı ise azalmaktadır. Alaşımlandırma ile akma mukavemeti, çekme mukavemeti ve sertlik değerleri iyileşirken darbe tokluğu azalmaktadır. 
En düşük kesme kuvveti değeri, alaşımsız KGDD'nin tornalandığında kaydedildi. Ancak, alaşımsız KGDD en yüksek yüzey pürüzlülüğü değerleri gösterdi. Alaşımlandırmanın yüzey pürüzlülüğü üzerinde belirgin bir etkisi olduğu gözlendi, kesme kuvvetleri üzerindeki etkileri biraz daha düşük oldu ve kesme kuvvetleri için %11, yüzey pürüzlülüğü değerleri için ise yaklaşık % 50'lik olumlu bir değişim tespit edildi. 
En düşük aşınma kaybı, ağırlıkça % 0,8 Mn ile alaşımlandırılan KGDD'de edildi, ancak en yüksek mekanik özellikler ağırlıkça hem % 0,8 Mn hem de %0,8 Cu ile alaşımlandırılan KGDD'de elde edildi. Mn ile alaşımlandırılan KGDD'nin oda sıcaklığında gerçekleştirilen aşınma deneyine göre 200 °C'de aşınma hızı arttı ve 600 °C'ye kadar aşınma hızı değişmedi. Sıcaklığın artmasıyla aşınma hızında en fazla artış, alaşımsız ve hem Mn hem de Cu ile alaşımlı KGDD'de tespit edildi. 
Ağırlıkça % 0,8 Mn ile alaşımlandırılan KGDD'nin korozyon direnci, ağırlıkça % 3,5 NaCl ortamında en yüksek bulundu. Ancak ağırlıkça hem % 0,8 Mn hem de % 0,8 Cu ile alaşımlandırma KGDD'nin korozyon direncini oldukça düşürmektedir. Ağırlıkça % 0,8 Mn ile alaşımlandırılan KGDD, hem kuru hem de korozif ortamlarda daha düşük sürtünme katsayısı (COF) ve daha düşük aşınma hızına sahiptir. 
KGDD'lerin kuru ve korozif koşullarda aşınma mekanizması yumuşak ferrit fazının plastik deformasyonu ve sürüklenmesini içerir, ayrıca yapısal kusurlar nedeniyle aşınma ürünlerinin ve korozif çözeltinin nüfuz etmesini içerir. Ancak aşınma hasarı, sert perlit fazıyla desteklenen matriste grafitin yağlayıcı özellikleriyle azalmıştır.

Abstract:
Currently, spheroidal graphite cast iron (KGDD) is widely used in industrial production because of its favourable mechanical properties and economic advantages over the steels, and manufacturers are exploring ways to develop components from KGDD with lower thicknesses to increase specific strength (strength/weight ratio). The requirements on high strength, machining, corrosion and wear resistance, high tribocorrosion performance of KGDD are increasing, and its producing technology has been an important field of research for several years.
The mechanical, machining, corrosion, wear and tribocorrosion properties of KGDD are largely determined by its metallographic structure. An appropriate balance of ferrite and pearlite in the ductile iron matrix can produce satisfactory strength, machining, corrosion, wear and tribocorrosion performance. In KGDD production, the alloying elements (Si,Mn,Cu,Cr,Sn and Sb) are usually used to control the microstructure and to improve the mechanical properties of the material. Each alloying element doesn't work independently and exhibits some complex interaction between them. Hence, the appropriate balance of the amount of the alloying elements must be carefully considered in the KGDD production.
The effect of alloying (Mn, Cu and Mn) on the mechanical, machinability, corrosion, tribocorrosion, and high temperature wear behavior of 15 mm diameter EN-GJS-500-7 quality pearlitic/ferritic KGDD supplied from Demisaş A.Ş. were investigated.
When alloyed with both 0.8% Mn and 0.8% Cu by weight, the number of graphite nodules in KGDD decreased, while their sizes increased. Unalloyed KGDD contains a large amount of the ferrite phase, and the volume fraction of pearlite expands with alloying. With alloying, the amount of pearlite increases, while the amount of ferrite decreases. Alloying improves yield strength, tensile strength, and hardness values, while reducing impact toughness.
The lowest cutting force value was recorded when turning the unalloyed KGDD. However, the unalloyed KGDD showed the highest surface roughness values. It was observed that alloying had a significant effect on surface roughness, with slightly lower effects on cutting forces (11%). A positive change of approximately 50 % for surface roughness values was detected.
The minimum wear loss was obtained in the KGDD alloyed with 0.8% Mn by weight, but the highest mechanical properties were achieved in the KGDD alloyed with both 0.8% Mn and 0.8% Cu by weight. In the wear test conducted at room temperature for the Mn-alloyed KGDD, the wear rate increased at 200 °C, and the wear rate remained constant up to 600 °C. The most significant increase in wear rate with increasing temperature was observed in the unalloyed KGDD and in the KGDD alloyed with both Mn and Cu. 
The corrosion resistance of KGDD alloyed with 0.8% Mn by weight was found to be the highest in a 3.5% NaCl environment. However, alloying KGDD with both 0.8% Mn and 0.8% Cu by weight significantly reduces its corrosion resistance. KGDD alloyed with 0.8% Mn by weight exhibits lower coefficients of friction (COF) and lower wear rates in both dry and corrosive environments.
The wear mechanism of KGDDs under both dry and corrosive conditions involves the plastic deformation and ploughing of the soft ferrite phase, along with the penetration of wear debris and corrosive solution due to structural defects. However, wear damage is reduced by the lubricating properties of graphite in the matrix, supported by the hard perlite phase.