Yüksek kromlu beyaz dökme demirlerin aşınma davranışlarının ve işlenebilirliğinin deneysel olarak incelenmesi
The experimental investigation of wear behaviour and machinability of high chromium white cast irons
Yazar: ALİ KALYON
Danışman: DOÇ. DR. DURSUN ÖZYÜREK ; DOÇ. DR. MUSTAFA GÜNAY
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Dökme demir = Cast iron ; Kesme kuvveti = Cutting force ; Sürtünme aşınması = Abrasive wear ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness

Özet:
Bu çalışmada, otomotiv sektöründe, valf ve supap bagalarının üretiminde kullanılan ve farklı oranlarda Cr içeren yüksek kromlu beyaz dökme demirlerin aşınma davranışları ve işlenebilirliği incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında üç farklı krom oranına sahip (%10, %12, %14) yüksek kromlu beyaz dökme demirin, ağır çalışma şartları altında sergiledikleri aşınma performansları araştırılmıştır. Kalıpların hazırlanmasından sonra kimyasal bileşimlerine göre yüksek kromlu beyaz dökme demir alaşımlar ergitilerek, hazırlanan kalıplara dökülmüştür. Karakterizasyon çalışmaları için, üç farklı oranda Cr ilave edilerek üretilen bagalardan, 6 mm çapında numuneler hazırlanmıştır. Standart metalografik işlemler ile hazırlanan numuneler elektron mikroskobu (SEM+EDS/JEOL 6060), X-ışını kırınımı (XRD/ Rigaku), yoğunluk ölçümleri (Archimets) ve sertlik ölçümleri (AffriSystem VRSD-251/HV2) yapılarak karakterize edilmiştir. Aşınma testlerinde pin-on-disk tipi standart deney cihazı kullanılmıştır. Yüzeyleri hazırlanan numuneler 60 N, 90 N ve 120 N yük, 6 farklı kayma mesafesi (500-1000-1500-2000-2500-3000 m) ve 1 ms ‾ ˡ'lik kayma hızında test edilmiştir. Aşındırıcı disk olarak aynı kimyasal bileşime sahip malzemelerden üretilen diskler kullanılmıştır. 
İşlenebilirlik deneylerinde, iş parçaları seramik ve CBN kesici uçlar ile kuru ortamda   bilgisayar sayısal denetimli torna tezgahında işlenmiştir. Kesici uç olarak seçilen seramik ve CBN kesiciler için ayrı ayrı Taguchi L27 dikey dizini deney seti uygulanmıştır. Tornalama esnasında dinamometre yardımıyla kesme kuvvetleri ölçülmüştür. İşleme sonrası parça yüzeylerinin yüzey pürüzlülükleri ölçülmüştür. Taguchi tekniği kullanılarak ideal kesme şartlarını için kontrol faktörleri belirlenmiştir. Kontrol faktörlerinin sonuçlara etkisi varyans analizi (ANOVA) yardımıyla bulunmuştur. Yapılan çalışmalar sonucunda %10 ve %14 Cr içeren alaşımların matrisinde, eşeksenel tane yapısının baskın olduğu gözlenirken, %12 Cr içeren alaşımın SEM görüntüsünde tanelerin uzama (sütunsal) eğilimi sergilediği anlaşılmıştır. XRD analiz sonuçlarında, %10 Cr içeren alaşımda M7C3 karbürlerin daha fazla olduğu, krom miktarının arttıkça alaşım içerisindeki M23C6 karbürlere dönüştüğü görülmüştür. Malzemelerin sertlik değerleri incelendiğinde, en yüksek sertlik değerlerinin 57 HRc ile %10 Cr ilave edilen yüksek kromlu beyaz dökme demir alaşımında elde edildiği görülmüştür. En düşük sertlik değeri  ise 52 HRc ile %14 Cr ilave edilen alaşımda elde edilmiştir. %12 Cr içeren alaşımında ölçülen 55 HRc ile diğer iki alaşımın arasında bir sertlik gösterdiği bulunmuştur. Artan krom oranının malzemelerin yoğunluklarını arttırdığı gözlemlenmiştir. 
Aşınma testleri sonucunda malzemede artan krom oranının,  malzemenin sertliğini ve de aşınma dayanımını azalttığı belirlenmiştir. Malzemede artan krom oranına bağlı olarak meydana gelen M7C3 karbürlerinin M23C6 karbürlerine dönüşmesinin, ağırlık kaybının artmasına neden olduğu görülmüştür. Aşınma testleri sonucunda, yapısında M23C6 karbürlerini daha fazla bulunduran %14 Cr'lu beyaz dökme demirin daha fazla aşındığı belirlenmiştir. 
Seramik ve CBN kesici uçlar ile yapılan talaşlı imalat deneylerinde elde edilen veriler incelendiğinde, düşük kesme parametrelerinin ve düşük krom oranının, yüksek kromlu beyaz dökme demirlerin işlenmesinde uygun parametreler olduğu bulunmuştur. Seramik ve CBN kesici uçlar ile yapılan tornalama deney sonuçlarının ANOVA analizi sonrası ilerleme miktarının, yüzey pürüzlülüğü  üzerindeki en etkili parametre olduğu belirlenmiştir. Kesme kuvveti üzerinde en etkili parametrelerin kesme derinliği ve ilerleme miktarı olduğu anlaşılmaktadır.

Abstract:
In this present study, wear behaviours and machining parameters of high chromium white  cast irons contain in different rates of Cr which used in the production of valve seat inserts and tappets in the automotive sector were investigated. In the first stage of the studies wear behaviours of three different rates of high chromium white cast irons (10 %, 12 %, 14 %) were examined under heavy service conditions. After the preparation of moulds, the high chromium white cast iron alloys were melted and poured according to their chemical compositions. For the characterization studies, samples of 6 mm diameter were prepared from valve seat inserts containing three different rates of Cr. Samples were prepared with standard metallographic processes, samples were characterized through scanning electron microscopy (SEM+EDS/JEOL 6060), X-ray diffraction (XRD/ Rigaku), density measurements (Archimets) and hardness measurements (AffriSystem VRSD-251/HV2). A pin-on-disk-type standard test apparatus was used for wear tests. Prepared samples surfaces were tested at 60 N, 90 N, and 120 N loads, 6 different sliding distances (500-3000 m) and 1 ms ‾ ˡ sliding speed. The material of counter discs for wear tests were the same as that of the samples to be worn. 
In machinability experiments, work pieces were machined dry with ceramic and CBN inserts in computer numerical controlled lathe. Taguhci's L27 orthongonal array was applied one by one for turning tests with selected ceramic and CBN cutting inserts. Cutting forces were measured during turning operation. Surface roughness of the work pieces were measured after the machining. The control factors which give the optimum cutting force and surface roughness values were determined using the Taguchi technique. The effect of control factors to results were determined with using analysis of variance (ANOVA).  As a result of studies, it is observed that coaxial grain structure is dominant in the matrix of the alloys containing % 10 and % 14 Cr, whereas the SEM image of the alloy containing % 12 Cr shows that the grains are columnar. In XRD results, it observed that M7C3 carbides were much more in sample containing % 10 Cr, with the increasing of chrome carbides transformed into M23C6 carbides. When the hardness of the material examined it is seen that the highest hardness value is seen for the high chromium white iron alloy containing % 10 Cr with 57 HRc. The lowest hardness value is seen for the alloy containing % 14 Cr with 52 HRc. 55 HRc hardness value is seen for the alloy containing % 12 Cr among the two alloys. It was observed that the increasing chrome rate in alloys increased the density of alloys.
It was determined that as the rate of Cr increased in the alloys, their hardness and wear loss decreased. It was considered to be as the result of transformation of M7C3 carbides into M23C6 carbides in the structure increasing of weight loss. Thus, it was determined that the white iron with % 14 Cr (which had a greater amount of M23C6 carbides) was subjected to the highest wear.
It was found that, the datas were obtained from the experiments which carried out with ceramic and CBN inserts, low cutting parameters and low chrome rate were the proper parameters for the machining of high chromium cast irons.  It was determined that, the ANOVA analysis of the experimental results which carried out ceramic and CBN inserts, feed rate was the most effective parameter on surface roughness. It was understood that depth of cut and feed were the most effective parameters on cutting force.