Stellite 6 ve Stellite 12 alaşımlarının darbeli kayma aşınma performanslarının incelenmesi
Investigation of impact sliding wear performance ofstellite 6 and stellite 12 alloys
Yazar: ORÇUN ASLAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CEVAT FAHİR ARISOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Kızak aşınması = Slideway wear ; Süper alaşımlar = Superalloys ; Yüzey aşınması = Surface wear ; Yüzey çarpışması = Surface impact

Özet:
Süper alaşımlar çoğunlukla yüksek performans isteyen özel uygulamalarda kullanılan alaşımlardır. Bu alaşımlar yüksek darbe dayanımı, yüksek sıcaklıklara karşı dayanım,  yüksek korozyon direnci gibi kendine has özelliklere sahiptir. Bu alaşım ailesi genel olarak nikel, kobalt, krom ve demir gibi elementlerin çeşitli kombinasyonlarından ana yapısını oluşturur ve düşük miktarda molibden, titanyum, wolfram, tungsten gibi elementler de bulundurur. Süper alaşımların aşınma dirençlerinin yüksek olması beklenmektedir, uygulama alanındaki aşınma tipine göre her süper alaşımın spesifik bir aşınma tipine karşı özel dayanıklılığı vardır.
Bu çalışma kapsamında, kobalt bazlı süper alaşım ailesinden olan Stellite 6 ve Stellite 12 alaşımlarının eşit şartlar altında hazırlanmış numuneleri üzerinde darbe-kayma aşınma testleri yapılmış ve performansları incelenmiştir. 
Numuneler TIG kaynağı ile çelik üzerine en az 1 mm kalınlıkta olacak şekilde, ayrı ayrı çelik numunelere Stellite 6 ve Stellite 12 kaynatılması ile hazırlanmaya başlanmıştır. Hazırlanan numune kaynak işleminden sonra iç stresin giderilmesi amacıyla kısa süreli ısıl işlem fırınında tutulmuştur. Hazırlanan numunelerden 26 cm kenar uzunluğuna sahip kare parçalar kesilmiştir. Kesilen parçaların karakterizasyon çalışmasına hazırlanması için zımpara ve parlatma işlemleri yapılmıştır. Sertlik ölçümü kontrolleri gerçekleştirilmiş ve Stellite 12 alaşımının Stellite 6 alaşımına göre yaklaşık %10 daha sert olduğu gözlemlenmiştir. Darbe-kayma aşınma test cihazında oturtulması için 26 cm kenar uzunluğuna sahip kare numunelere uygun özel tutucu aparatları tasarlanarak hazırlanmıştır. Darbe-kayma testi öncesi Stellite 6 ve Stellite 12 numuneleri optik mikroskop ile çeşitli büyütmelerde incelenmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile çeşitli büyütmelerde mikro yapıları incelenmiştir. Numunelerdeki fazların incelenmesi amacıyla X-ışını difraksiyonu (XRD) çalışması yapılmıştır. Darbe-kayma test cihazında iki ayrı numune için hem oda sıcaklığında, hem de 600 °C sıcaklıkta 2'şer adet test gerçekleştirilmiştir. Testler 1000 çevrim ve 3,5kg darbe yükü ile gerçekleştirilmiştir. Darbe-aşınma testi sonrasında numunelerdeki aşınma bölgesinin 2 boyutlu aşınma profili çıkarılmıştır. Aşınma profili çıkarılırken 5 bölgede inceleme yapılmıştır; bu ölçümler 1 adet darbe bölgesi, 1 adet darbe-kayma geçiş bölgesi, 2 adet kayma bölgesi ve 1 adet aşınma son bölgesinden alınarak yapılmıştır. Aşınma bölgelerinin SEM görüntüleri çeşitli büyütmelerde incelenmiştir. Aşınma bölgesinde raman spektroskopisi ile çalışma yapılmıştır. Oksitler incelendiğinde oda sıcaklığında yapılan testlerde oksit miktarının çok az olduğu görülmüştür. Yüksek sıcaklıkta yapılan testlerde aşınma bölgesinde demir oksit, krom oksit ve kobalt oksit ağırlıkla gözlemlenmiştir. Raman sonrası aşınma bölgesinin kesit görüntüleri SEM ile incelenmiştir.
Aşınma derinlikleri gözlemlendiğinde; oda sıcaklığında Stellite 6 ve Stellite 12 darbe bölgesinde benzer performans sergilemiştir, kayma bölgesinde ise Stellite 6 alaşımı Stellite 12 alaşımına göre daha yüksek performans sergilemiştir. Yüksek sıcaklıkta Stellite 12 alaşımı Stellite 6 alaşımına göre darbe bölgesinde daha yüksek performans göstermiştir, kayma bölgesinde ise Stellite 6 alaşımı Stellite 12 alaşımına göre daha yüksek performans göstermiştir. SEM görüntüleri incelendiğinde aşınma sırasında karbür kırıkları ve karbürlerin kopması gözlemlenmiştir. Yüksek sıcaklıktaki testlerde darbe bölgesindeki Stellite 12 yüksek performansının, Stellite 12 alaşımında daha yüksek miktarda bulunan tungsten ve karbondan ötürü katı çözeltinin daha sert olmasına ve dolayısıyla yüksek karbür miktarına bağlı olduğu yorumlanmıştır. Kayma bölgesinde Stellite 12'nin daha düşük performans göstermesi, yine Stellite 12'deki yüksek karbür miktarı ve yüksek sertlikten ötürü, aşınma sırasında kopan karbürlerin kayma aşınması sırasında ek abrasif bir aşınmaya sebep vermesi ve bölgede daha fazla aşınma oluşturması şeklinde yorumlanmıştır. Yine SEM görüntüleri incelendiğinde Stellite 6 alaşımındaki oksit tabakasının aşınmayı azaltıcı bir etki yaratmış olabileceği yorumlanmıştır.  Genel sonuç olarak stellite 6 alaşımı her anlamda stellite 12 alaşımına göre üstün performans gösterdiği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Super alloys are mostly used in special applications which require high performance. These alloys have unique characteristics such as high impact resistance, high temperature resistance, and high corrosion resistance. This family of alloys mainly consists of various combinations of elements such as nickel, cobalt, chrome and iron, and contains elements such as molybdenum, titanium, wolfram and tungsten. The wear resistance of the super alloys is expected to be high, with each super alloy having a specific resistance to a specific type of wear, depending on the type of wear in the application area.
In this study, impact-slide wear tests were performed on stellite 6 and stellite 12 alloys, which are members of cobalt based super alloy family. Stellite alloys main element is cobalt and chrome. They also consist carbon and some amount of tungsten, molybdenum. The main difference between stellite 6 and 12 is the carbon amount in them. Stellite 12 has more carbon than stellite 6 alloy. Also stellite 12 has more tungsten than stellite 6. There is also some little minor differences of the amount of chrome and other alloy elements. The samples prepared under equal conditions and their performances were examined under equal conditions in this study.
The samples were prepared with TIG welding on the stainless steel and at least 1 mm thick. The stellite 6 and stellite 12 were welded to the steel samples separately. The prepared sample was kept in a short-term heat treatment furnace to remove internal stress after welding. Square parts with a length of 26 cm were cut from the prepared samples. Sanding and polishing were done to prepare the parts for the characterization work. Hardness measurement controls were performed and it was observed that the stellite 12 alloy was about 10% harder than the stellite 6 alloy. The hardness values are measured from different areas and for different amounts, the average result considered in this study. 
A grabber is designed to fit square specimens with a length of 26 cm for the impact-slide testing machine. Stellite 6 and stellite 12 samples were examined by optical microscope at various magnifications before the impact-slide test. Microstructures were investigated at various magnifications by scanning electron microscopy (SEM). X-ray diffraction (XRD) study was performed to examine the phases in the samples. For the two separate samples in the impact-slide test device, two tests were carried out at both room temperature and 600 °C. The tests were carried out with 1000 cycles and 3,5kg impact load. After the impact-slide test, 2-dimensional wear profile of the wear zone was investigated. 5 sites were examined during the examination of the wear profile; these measurements were made by taking 1 impact zone, 1 impact-slide transition zone, 2 slide zone and 1 wear-end zone. The depths of worn areas are measured and also wear track areas are calculated compared. The SEM images of the wear zones were examined at various magnifications. Raman spectroscopy was performed in the wear zone. When the oxides were examined, it was seen that the amount of oxide was very low in the tests performed at room temperature. In high temperature tests, iron oxide, chromium oxide and cobalt oxide were observed in the wear zone. Cross-sectional images of the post-Raman wear zone were examined by SEM as well for different magnifications.
When the wear depth is observed; stellite 6 and stellite 12 at the temperature of the room showed similar performance in the impact zone, the slide zone of stellite 6 alloy showed higher performance than the stellite 12 alloy's slide zone. At the high temperature, stellite 12 alloy showed higher performance in the impact zone than the stellite 6 alloy, whereas in the slide zone the stellite 6 alloy showed higher performance than stellite 12 alloy. 
When SEM images were examined, carbide fractures and breakage of carbides were observed during wear. In high temperature tests, the high performance of the stellite 12 in the impact zone was interpreted to be higher in the stellite 12 alloy due to the higher amount of tungsten and carbon in the solid solution and hence the higher carbide content. So these make the stellite 12 alloy harder. The lower performance of the stellite 12 in the slide zone was interpreted as a result of the high carbide content in the stellite 12 and the high hardness as well, these are causing the carbide particles to cause an additional abrasive wear during slide wear and to create more wear in the area. Another reason to stellite 12 performs worse, is to stellite 6 being tougher than stellite 12 alloy.
When SEM images were examined, it was interpreted that the oxide layer in the stellite 6 alloy could have had a reducing effect for the wear. After examining the SEM images and the other results, it is been noted that in the room temperate the main wear mechanism was plastic deformation. For the high temperature tests, the main wear mechanism was the oxidative deformation. Both of the alloys are suitable for high temperature wear, high oxidation wear, and high impact wear areas of use. 
After the tests, deformation area's hardness values are checked again to see the difference and there is a clear deformation hardening observed. In general of hardness values, stellite 12 alloy is always harder than stellite 6 alloy for all measurements, and the ratio is around 15%.
After tests, raman spectroscopy analysis are made, oxides observed as expected. Both of the alloys have mainly chromium oxides and cobalt oxides, and small amount of iron oxides. The iron oxide comes from the steel ball which is used to make the wear test itself. At room temperatures, iron oxides are in small amounts we can say. For high temperature test, all of the oxides are much more than room temperature situation. Especially iron oxide differences for two test temperatures are very easy to see.
Considering the test results, it can be said that stellite 12 is harder than stellite 6 in all situations due to its higher carbon content. It has more carbides in its micro structure. And about the total wear track area, stellite 12 has more deformed area after the test, so it makes stellite 6 alloy seems to perform better than stellite 12 alloy in the mean of wear area. About oxidation, stellite 12 has more oxides in its microstructure both at room temperature and higher temperature test which is made at 600 Celsius degrees. Even in impact zone stellite 6 performs better than stellite 12, this study considers the wear mechanism as impact-slide mechanism together, and the test mechanism works on this way, so we can say that stellite 6 performs a little better at all options. To select for room temperature usage or high temperature usage, both can be selected depending on the requirements of course, but if only one of them needed to be selected, stellite 6 should be first priority considering to this study.