Mikroalaşımlı östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerde vanadyum ve niyobyumun mekanik özelliklere etkisi
Effect of vanadium and niobium on mechanical properties in microalloyed austempered ductile iron
Yazar: BEYZA METE DOĞAN
Danışman: DR. NURİ SOLAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Küresel grafitli dökme demirler (KGDD), yüksek mukavemet, tokluk ve sünekliğin birleşimiyle birçok endüstriyel uygulama için ideal özellikler sunan bir malzeme grubudur. Bu malzemelerin en büyük avantajı, grafitin mikroyapıda küresel formda bulunması sayesinde dövme ve gri dökme demirlere alternatif olmasıdır.
Östemperleme işlemi KGDD'ye mekanik özelliklerini ve mikroyapısını iyileştirmek için uygulanan bir ısıl işlemdir. Östemperleme işlemi, malzemeye asiküler ferrit ve yüksek karbonlu östenitin bileşiminden oluşan ösferrit mikroyapısını kazandırır. Bu mikroyapının varlığı malzemeye yüksek mukavemet, süneklik, tokluk, aşınma direnci, yorulma dayanımı, düşük maliyet, işlenebilirlik ve tasarım kolaylığı sağlamaktadır. Bu özellikler, östemperlenmiş küresel grafitli dökme demiri mühendislik uygulamalarında sıkça tercih edilen bir malzeme haline getirir. Otomotiv sektöründe de kamyonlarda krank mili, kam mili, şasi ve süspansiyon braketleri gibi kritik bileşenlerde tercih edilen bu malzemeler, araçların genel performansını ve enerji verimliliğini artırmaktadır.
Mikro alaşımlı KGDD'ye östemperleme ısıl işlemi ile kazandırılan mekanik özellikler, bu malzemeyi ağır ticari araçlar ve elektrikli kamyonlar için ideal hale getirmektedir. Bu nedenle, östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirler, modern otomotiv endüstrisinde uzun yıllardır kullanılmaktadır. Bu çalışmada amaç, GGG60 kalite küresel grafitli dökme demire östemperleme ısıl işlemi uygulanarak malzemenin mikroyapısı, çekme mukavemeti, kopma uzaması, sertlik, darbe enerjisine mikro alaşımlama ve östemperleme süresinin etkisini tespit etmektir. Elektrikli kamyon üretiminde kullanılacak şasi braketleri için en iyi mekanik özellikleri elde etmek hedeflenmiştir. 
KGDD'ye alaşım elementlerinin ilavesi ile matristeki mikroyapıyı, asiküler ferrit yapısını, kalıntı östenit oranını ve östenite karbon difüzyon hızını kontrol etmek mümkündür. Vanadyum ve niyobyum mikro alaşımlanarak mekanik özelliklerde başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Ancak vanadyum ve niyobyumun birlikte mikro alaşımlandığı bir çalışma literatürde bulunmamaktadır. 

Tez çalışması kapsamında, vanadyum (V), niyobyum (Nb), vanadyum ve niyobyum (V+Nb) ile alaşımlandırılarak Y-blok şeklinde standart test numuneleri üretilmiştir. Döküm sonrasında numuneler talaşlı imalat yöntemleri ile hazırlanmıştır. Döküm sonrası numunelere standart yapısal, mikroyapısal ve mekanik karakterizasyonları yapılmıştır. Döküm sonrasında yapıya ilave edilen mikroalaşım elementlerinin doğrudan etkisi olmadığı görülmüştür. Numuneler 900°C'de östenitleme işlemine tabi tutulmuştur. Bir saat östenitleme (inch başına) işlemi sonrasında numuneler 300°C sıcaklıktaki tuz banyosuna düşürülmüş ve bu sıcaklıkta 1,15, 30, 60 ve 120 dakika süre östemperlenmiştir.
Tüm kompozisyonlarda östemperleme sonrasında, 1 ve 15 dakika temperlenen numunelerde martenzit yapısı görülmüştür ve sonucunda sertliğin yüksek olduğu tespit edilmiştir. Artan süre ile sertlik düşmüş, tokluk/süneklik artmıştır. Östemperleme süresi arttıkça yapıda martenzit miktarının azaldığı, 30 dakika östemperleme sonrasında tamamen kaybolduğu tespit edilmiştir. Mikroalaşımlandırma, ısıl işlem sonrasında aktif bir mekanizma haline gelmiştir. Tüm kompozisyonlardaki mikroyapılarda asiküler ferrit ve yüksek karbonlu östenitten oluşan ösferrit yapısı görülmüştür. Vanadyum+niyobyumlu örneklerde mikroyapıda vermikürler grafit görülmüştür. Mikroalaşımlandırma ile mikroyapıdaki asiküler ferrit daha ince hale gelmiştir. Asiküler ferrit, östemperleme süresinin artması ile kabalaşmıştır. Östemperleme sonucu mikroyapıda karbon stabilize östenit fazı oluşmuştur. Oda sıcaklığında soğuma ile bu faz kalıntı östenite dönüşmüştür. Martenzit oluşumundan dolayı 1 dakika östemperlenmiş numunelerde kalıntı östenit oranı %17 civarındadır. Östemperleme süresi arttıkça yapıdaki kalıntı östenit miktarı tüm kompoziyonlar için artmaktadır. Vanadyum mikro alaşımlı numunelerde östemperleme süresi artması ile orantılı olarak kalıntı östenit artışı tespit edilmiştir. Niyobyum mikro alaşımlı numunede kalıntı östenit yüzdesi, 60 dakikaya kadar artarken 120 dakika sonunda diğer kompozisyonlara göre daha düşüktür (%42). Östenitteki karbon miktarı mikroalaşımlandırma ile tüm kompozisyonlarda artmıştır. Vanadyum ve niyobyum ayrı ayrı östenitteki karbonu stabilize ederek mekanik özelliklerin artmasını sağlamıştır. XRD patternleri incelendiğinde 1 dakika östemperlenen numunelerde martenzit oluşumu sebebi ile östenitin (111) yönünde pik oluşturmadığı tespit edildi. Analiz sonuçlarında vanadyum, niyobyum ve vanadyum+niyobyumlu numunelerin pik şiddetleri farklılık göstermiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri incelendiğinde, vanadyum ve niyobyumlu numunelerde ısıl işlemsiz mikroyapılarda görülen karbürlerin, ısıl işlem sonrası çözeltiye geçtiği tespit edildi. Vanadyum ve niyobyumun birlikte mikroalaşımlandırılması kompleks karbür oluşumuna sebep olmuştur. Isıl işlem sonrasında mikroyapıda kompleks karbür görülmektedir. Stabil karbür oluşumu sebebiyle vanadyum ve niyobyum çözeltiye dağılmamıştır. Alaşımlandırma mikro seviyede olduğu için karbürlerin XRD pikleri görülmemiştir. Darbe enerjisi çentiksiz darbe deneyi ile belirlenmiştir. Niyobyum mikroalaşımlı numunelerde en yüksek darbe değerleri elde edilmiştir. 120 dakika östemperlenmiş niyobyumlu örneklerde 145 J darbe enerjisi ölçülmüştür. Vanadyum+niyobyumun mikroalaşımlandırıldığı örneklerde darbe enerjisi alaşımsız GGG60'a göre azalmıştır. Bu durumun sebebi mikroyapıda görülen vermikülerite ve karbür oluşumdur. Tüm sonuçlar incelendiğinde en iyi mekanik özelliklere 15 dakika östemperlenmiş niyobyum numunesinde ulaşılmıştır. Kalıntı östenit %41, östenitteki karbon miktarı %1,8, akma dayanımı 843 MPa, çekme dayanımı 1122 MPa, kopma uzaması %19,  sertlik 38,2 HRC, darbe enerjisi 109 J olarak ölçülmüştür. Östemperleme sonradında mikroalaşımlama elementi niyobyumun aktif olması sayesinde mukavemet ve sünekliğin bir arada olduğu sonuç elde edilmiştir.

Abstract:
Spheroidal graphite cast irons, commonly known as ductile irons, stand out as a material group offering an ideal combination of high strength, toughness, and ductility, making them suitable for a wide range of industrial applications. One of the primary advantages of these materials is the spherical form of graphite within the microstructure, which significantly enhances their mechanical properties. This spherical graphite structure not only doubles the strength of traditional cast iron but also reduces density, making it lighter compared to other cast irons and forged materials.
To further improve the mechanical properties and refine the microstructure of spheroidal graphite cast iron, special heat treatment processes, such as austempering, are employed. Austempering is a heat treatment process that transforms the material into a microstructure composed of acicular ferrite and high-carbon austenite, known as ausferrite. This transformation imparts a unique combination of properties to the material, including high strength, superior toughness, excellent wear resistance, and notable fatigue resistance. Additionally, the process offers economic benefits due to low cost, high machinability, and ease of design, making austempered ductile iron (ADI) a material of choice in many engineering applications.
The microstructure of spheroidal graphite cast iron can be precisely controlled through alloying. By adjusting the chemical composition and carefully managing the heat treatment processes, it is possible to modify the matrix microstructure and achieve desired variations in the size, shape, and distribution of graphite nodules. Common alloying elements include silicon, copper, nickel, molybdenum, chromium. Vanadium and niobium, in particular, are added to enhance mechanical properties such as strength and toughness. However, studies specifically investigating the combined effects of vanadium and niobium microalloying on ADI are limited.
Due to their high strength, ductility, light weight, ease of production, and cost-effectiveness, spheroidal graphite cast irons are widely used in the automotive sector. These materials are particularly favored for critical components such as chassis and suspension systems in electric vehicles, as they contribute to enhanced overall performance and improved energy efficiency.
The mechanical properties imparted by microalloying make these materials ideal for heavy-duty commercial vehicles and electric trucks. They provide high strength and low weight, which increase load capacity and reduce fuel consumption. Additionally, their environmentally friendly characteristics help lower emissions, supporting sustainable transportation solutions. 
This study focuses on the effects of vanadium and niobium microalloying on the mechanical properties and microstructure of austempered ductile iron. The aim is to achieve optimal mechanical properties for chassis brackets used in electric trucks by subjecting GGG60 material to austempering heat treatment. The specific objectives include examining the impact of microalloying and austempering duration on microstructure, tensile strength, elongation, hardness, and impact energy.
The experimental procedure involved austenitizing the samples at 900°C for one hour, followed by austempering at 300°C for various durations (1, 15, 30, 60, and 120 minutes). The microstructure was analyzed using an optical microscope and Scanning electron microscope. Results indicated that samples austempered for 1 minute exhibited a martensitic structure, which disappeared with longer austempering durations. With vanadium microalloying, an ausferrite microstructure consisting of acicular ferrite and retained austenite was obtained. It was observed that, as the austempering duration increased, the acicular ferrite needles became coarser and more feather-like. In samples where vanadium and niobium were alloyed together, vermicular graphite was detected in the microstructure. The combined microalloying of vanadium and niobium led to the formation of vermicular graphite. SEM images were examined for all compositions austempered for 15 minutes and compared with non-heat-treated samples. In samples alloyed with both vanadium and niobium, complex carbides were observed. The formation of complex carbides resulted in a heterogeneous microstructure and negatively affected the mechanical properties. Homogeneously distributed acicular ferrite was best observed in samples microalloyed with 0.25% niobium, resulting in superior strength and ductility. 
X-ray diffraction (XRD) analysis was used to determine the retained austenite and carbon content in the austenite by analyzing the peaks in the XRD graphs. Across all compositions, it was observed that the relative intensities of the austenite (ᵧ) and ferrite (α) peaks varied depending on the density of acicular ferrite and retained austenite in the microstructure. In all samples austempered for 1 minute, it was determined that the austenite peak (111) did not form due to the martensite formation in the microstructure, and the intensities of the (200) and (220) peaks were also low. As the austempering duration increased, martensite disappeared, and the retained austenite content increased.
The study found that microalloying with niobium significantly improves the mechanical properties of ADI. With niobium microalloying, both high strength and high ductility were achieved. In samples austempered for 15, 30, and 60 minutes, the tensile strength ranged between 1082-1122 MPa, while the elongation at break varied between 17.8-19%. In vanadium-alloyed samples, the tensile strength ranged between 1172-1283 MPa, with elongation at break values between 6.3-15.8%. In samples where vanadium and niobium were alloyed together, the tensile strength was approximately 600 MPa, similar to unalloyed samples. However, the elongation at break values ranged from 1.8-4.2%, which were significantly lower compared to other microalloyed compositions.
The mechanical testing results revealed that the samples with niobium microalloying exhibited the highest hardness and impact energy values. In all compositions, hardness was slightly increased compared to unalloyed samples through microalloying.
In the unnotched impact test, niobium-alloyed samples exhibited higher toughness compared to vanadium and vanadium+niobium alloys.
The vanadium+niobium microalloying reduced impact energy compared to unalloyed samples. These samples demonstrated a well-distributed acicular ferrite structure, which is critical for achieving the desired mechanical properties. The martensitic structures observed in samples with shorter austempering times indicate that proper control of the austempering duration is essential to optimize the mechanical performance of ADI.
In conclusion, the study highlights the significant benefits of microalloying with vanadium and niobium in austempered ductile iron. The combination of these alloying elements, when properly controlled, can result in a material with exceptional mechanical properties suitable for demanding applications in the automotive industry, particularly in the production of electric trucks. The high strength, low weight, and enhanced toughness of ADI make it an ideal material for critical components, contributing to increased load capacity, reduced fuel consumption, and lower emissions. These advantages align with the goals of modern automotive engineering, emphasizing sustainability and performance.
Future research should continue to explore the synergistic effects of different alloying elements and optimize heat treatment processes to further enhance the performance of ADI. This study provides a solid foundation for developing advanced materials that meet the rigorous demands of contemporary automotive applications, ensuring both efficiency and environmental responsibility. From the characterization studies, it was determined that the optimal composition and austempering conditions for chassis brackets in electric trucks are: The NB-15 sample, containing 0.25% Nb and austempered at 300 C° for 15 minutes, retained austenite 41%, carbon content in austenite1.8%, yield strength: 843 MPa, tensile strength 1122 MPa elongation at break 19% hardness 38.2 HRC, impact energy 109 J.