Ağır araç kam milleri mekanik özelliklerinin ısıl işlem yöntemleri ile artırılması
Increase by heat treatment methods of mechanical properties of heavy vehicles cam shaft
Yazar: BAHADIR KARACA
Danışman: PROF. DR. MEHMET ŞİMŞİR
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, birçok sektörde kullanım alanı bulunan küresel grafitli dökme demirlerde (KGDD) alaşım elementleri  (Mn, Ni, Cu) ilavesi ve östemperleme, indüksiyonla yüzey sertleştirme, temperleme ısıl işlemlerinin; mikroyapı, sertlik, çekme dayanımı, tribolojik özellikleri ve yorulma dayanımına olan etkileri incelenmiştir. Bu amaçla; kam mili modellerinin NOVACAST programı ile döküm simülasyonu yapılarak döküm kalitesi optimize edilmiştir. Y blok ve kam mili üretimi sırasında küreselleştirme işlemi için, Fe-Si-Mg alaşımı kullanılmış ve Fe-Si-Ba-Ca-Al alaşımı ile de aşılama işlemi yapılmıştır. Döküm işlemi 1410-1420°C, döküm zamanı 11-13s arasında gerçekleşmiştir. Dökümü yapılan Y bloklardan çekme numuneleri talaşlı imalat yöntemi ile çıkarılarak ısıl işlemlere hazır hale getirilmiştir. Isıl işlem parametrelerinin optimize çalışması çekme numuneleri ile yapılmıştır ve sonrasında optimize edilen parametreler kam millerine uygulanmıştır. 3 farklı analizlerde dökümü yapılmış çekme numuneleri, 900°C 90 dk östenitleme sıcaklığında bekletildikten sonra 260°C'deki tuz banyosuna (%50KNO3+%50NaNO3) aktarılarak 30-60-90-120-150-180-240 dk sürelerde östemperlemiş ve tuz banyosundan çıkarılarak havada soğutulmuştur. Numunelere mikroyapı analizleri, sertlik (HB-HV) ölçümleri, çekme testleri ve pin-on-disk aşınma testleri gerçekleştirilmiştir. Östemperleme prosesi sonrasında mikroyapı analizi homojen olan kimyasal analiz ve en iyi çekme, aşınma dayanımını gösteren 90 dk östemperleme süresi optimize edilmiştir. Optimize edilen numunelere orta frekanslı indüksiyonla yüzey sertleştirme işlemi yapılmıştır. 
Yüzey sertleştirme işlemi sonrası iç gerilmelerin giderilmesi ve temperleme prosesinin etkisini görmek için 260°C'de 30-60-90 dk boyunca temperleme işlemi uygulanmıştır. Temperleme prosesi sonrasında mikroyapı incelemeleri ile 30 dk temperleme süresi optimize edilmiştir. Optimize edilen kimyasal analiz ve ısıl işlem parametreleri kam millerine aynı işlem sırası ile uygulanmıştır. Isıl işlemler sonrası meydana gelen yapısal değişimleri belirlemek için optik mikroskop, SEM ve XRD analizleri yapılmıştır. Kam mili numunelerinden kesitler alınarak mikrosertlik (HV) ölçümleri yapılmıştır. Kam millerinden çekme numuneleri çıkartılarak 5mm/dk çekme hızında, 1N/mm2 yük altında çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Numunelerin kırık yüzeyleri SEM analizleri ile incelenmiştir. Aşınma deneyleri pin-on-disk aşınma cihazında 30N yük altında, 500m mesafede ve 300rpm dönme hızında gerçekleştirilmiştir. Numunelerin aşınma yüzeyleri optik mikroskop ile incelenmiş ve numunelerdeki aşınma kaybı değerleri ölçülmüştür. Yorulma deneyleri döner-eğmeli yorulma test yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 

Deneysel sonuçlar; bu çalışma ile kam mili özünde mükemmel dayanım ve süneklik kombinasyonuna sahip olan östemperlenmiş KGDD (ÖKGDD) yapısının oluşturulması ile çekme dayanımları 1423,34 MPa, yorulma dayanımları 555,20 MPa seviyelerine getirilmiştir. Yüzeyde aşınmaya dirençli martensitik yapının oluşturulması ile de aşınma kaybı 0,39mg/500çevrim seviyelerine çıkartılmıştır. Sertlik değerleri östemperleme süresinin artmasıyla ve yüzeyinin sertleştirilmesi ile ortalama 711 HV0,1 olarak ölçülmüş ve sertlik derinliği 4,6 mm olarak belirlenmiştir.

Abstract:
In studys; microstructure, hardness, tensile strength, tribological properties and effects on fatigue strength were investigated by adding of alloying elements (Mn, Ni, Cu) to which is used in many sectors spheroidal graphite cast iron (KGDD) and austempering, surface hardening by induction tempering heat treatment. For this purpose; The casting quality of camshaft models are optimized with NOVACAST program. The Fe-Si-Mg alloy was used for the spheronization process and the grafting was performed with the Fe-Si-Ba-Ca-Al alloy during the production of the Y block and camshaft. Casting process was realized between 1410-1420 °C and casting time was 11-13 seconds. Tensile samples were made from the cast Y blocks, it has been removed with the machining method and made ready for heat treatment. Optimization of heat treatment parameters was made with tensile samples and than optimization parameters are applied to camshaft. The casting of  tensile samples was made with 3 different analyzes. Samples were waited at 90°C for 90 minutes at austenitizing temperature and it was transferred to a salt bath (50% KNO3+50% NaNO3) at 260°C and austempered for 30-60-90-120-150-180-240 minutes. Samples was cooled in air after being removed from the salt bath. Microstructure analyzes, hardness (HB-HV) measurements, tensile tests and pin-on-disk wear tests were performed samples. Results of the austempering process, 90 minutes austempering time has been optimized. Because of this parameter shows the microstructure analysis is homogeneous, the best tensile and anrasion resistance. The induction hardening process with medium frequency was applied on the samples. Optimized samples were surface hardened with medium frequency induction. 
After surface hardening, tempering process was performed for 30-60-90 minutes at 260 °C in order to remove the internal stresses and effect of the tempering process. After the tempering process, with the microstructure analys were optimized for 30 minutes of tempering time. Chemical analysis and heat treatment parameters wich one is optimized were applied to the camshafts in the same procedure. After the heat treatment, optical microscope, SEM and XRD analyzes were performed in order to specify the structural changes. Micro hardness (HV) measurements were made by taking sections from the camshaft samples. Tensile tests were performed under load of 1N/mm2 at a draw speed of 5mm/min by removing the tensile samples from the cam shaft. The fractured surfaces of the samples were examined by SEM analysis. The wear tests was performed in a pin-on-disc wear machine under a 30N load, at a 500m distance and at a rotation speed with a 300rpm rotation speed. Fatigue tests were performed by using the rotary-slope fatigue test method.

Experimental results; the tensile strengths to 1423,34MPa and the fatigue strengths to 558,20 MPa were brought with the first construction of the austempered structure, which has the combination of excellent strength and ductility in the camshaft core with this study. Wear loss has been increased to 0,39mg/500 cycle with the formation of wear resistant martensitic structure on the surface. Hardness values were measured as average 711 HV0.1 with increasing the austempering time and hardening of the surface and the hardness depth was determined as 4.6 mm.