Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirde alaşım elementlerinin östenit-martenzit dönüşümüne etkisi

Abstract

ÖZETYüzyıllardır kullanılmakta olan dökme demirlerin geliştirilmesi, daha yüksek dayanım vedaha düşük üretim maliyetlerini sağlamak için devam etmektedir.Yeni bir mühendislik malzemesi olan Küresel Grafitli Dökme Demir'in (KGDD) doğumu1948'deki American Foundrymen's Society'nin yıllık konferansında ilan edilmiş, bunu(KGDD) ailesine yeni bir yıldızın, `Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demir'in(ÖKGDD) katılımı izlemiştir. Çeliğin sahip olduğu dayanımı, sünekliği, yüksek kırılmatokluğunu ve aşınma dayanımını, KGDD'nin sahip olduğu dökülebilirlik ve düşük üretimmaliyeti ile birleştiren ÖKGDD tasarımcılara düşük maliyetle üstün makine parçalarıüretebilme fırsatını sağlamıştır.Tanınan mekanik özelliklerinin yanı sıra ÖKGDD, çeliklerde uzun yıllardır bilinmekte olanfaz dönüşümü mekanizması sayesinde kendisine yeni avantajları olan kullanım alanlarıbulmuştur. ÖKGDD yapısındaki kalıntı östenit, yoğruk şekil değişikliğine maruzbırakıldığında martenzite dönüşmektedir. Bu dönüşüm mekanizması malzemeye, ilave birdayanım sağlamakta ve malzemenin ömrünü artırabilmektedir.Bu tez çalışması Devlet Planlama Teşkilatı tarafından desteklenen bir ana projenin birbölümüdür. Ana projenin amacı, şu anda ithal edilmekte olan vagon tekerleklerinin yerliüretimi için ÖKGDD malzemeden döküm teknolojisinin geliştirilmesidir. ÖKGDD vagontekerleklerinin yüzeyinde çalışma sırasında meydana gelen östenit-martenzit dönüşümü,tekerlerin yorulma ömrünü ve dolayısıyla geliştirilmekte olan merkezkaç dökümteknolojisinin başarısını en fazla etkileyen etmendir. Bu nedenle bu doktora çalışmasında,östenit martenzit dönüşümü ve ÖKGDD'nin ana alaşım elementleri olan Cu, Ni ve Mo'ninöstenit-martenzit dönüşümü üzerindeki etkileri incelenmiştir. Minyatür vagon tekerişeklindeki numuneler, vagon üzerinde çalışmakta olan tekerlekler benzetimi için tasarlanmışbir yorulma cihazı üzerinde denenmiştir.Değişen miktarlarda alaşım elementi içeren numunelerin sertlikleri, martenzitik dönüşümhızları, yorulma dayanımları ve kütle kayıpları incelenmiş ve bahis konusu elementlerin buözelikler üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Döküm malzemelerin özellikleri, hâlihazırdademiryolları işletmeleri tarafından kullanılan çelik tekerleklerin özellikleri ilekarşılaştırılmıştır.Vagon tekerinin yanı sıra inşaat makinelerinin kepçe tırnaklarının da aynı malzeme iledökülebileceği göz önünde bulundurularak, aynı malzemelerden kepçe tırnakları dadökülmüştür. Vagon tekerlekleri için yorulma ömrü büyük önem taşımaktadır. Kepçetırnaklarında ise kullanım yerine bağlı olarak kütle kaybı önemlidir.Çalışmanın sonunda, yapılan tavsiyelerde her ne kadar mekanik özellikler esasa alınmış olsada, malzemelerin ekonomikliği de hesaba katılmıştır. Bileşimlerinde yüksek miktarda Cu veNi içeren (4) malzemenin vagon tekerleği üretimine, alaşımsız ÖKGDD'nin (3) taşıyıcıgreyder tırnağı üretimine ve yüksek Cu, Ni ve Mo içeren (8) malzemenin de kazıcı greydertırnağı üretimine uygun olduğu belirlenmiştir.1Çalışmanın önemli bir katkısı da, martenzitik dönüşümde dönüşüm hızı ile katılan alaşımelementlerinin atomik yarıçapları arasında y = x + CFe şeklinde matematiksel bir ilişkiolduğunu açığa çıkarmasıdır.Anahtar kelimeler: Döküm, küresel grafitli dökme demir, östemperleme, kalıntı östenit,martenzit, yoğruk şekil değiştirme, faz dönüşümü, vagon tekeri, greyder tırnağı, yorulmadayanımı, aşınma direnci, katılaşma benzetimi, gerilme çözümlemesi (analizi).2

ABSTRACTDevelopment of cast irons that are in use for more than one hundred year, still continues inorder to achieve higher stregth and lower cost.The birth of a new engineering material, Ductile Iron (DI), was announced at the 1948 ASMAnnual Foundry Conference following the announcement of Austempered Ductile Iron (ADI)as a new star to DI family. Combining the strength, ductility, fracture toughness and wearresistence of a steel with a castability and production economies of a conventional DI, ADIoffers the designer an exceptional opportunity to create superior components at reduced costs.Beside the common mechanical advantages, ADI found itself new advantageous fields due toits phase transformation mechanism which has been widely known in steels for decades. Theretained austenite in ADI transforms to martensite if subjected to plastic deformation. Thistransformation mechanism provides an extra strength to the material and enhances the life ofthe product.This study is supported by State Planning Organization (DPT). The aim of the main projectwas to develop casting technology for the production of wagon wheels which are currentlyimported. Austenite-martensite transformation at the surface of the wagon wheels duringoperation was the most important factor affecting the fatigue life and in turn success of thenewly developed centrifugal casting technology. In this doctorate study, effect of the mainalloying elements of ADI namely, Cu, Ni and Mo on the austenite-mertensite transformationhas been investigated. Miniature wagon wheel-shaped specimens were tested on a machinedesigned to simulate the wheels operating on a wagon.Hardness, martensitic transformation rate, fatigue strength and mass loss of specimens withdifferent amount of alloying elements have been investigated and effects of above alloyingelements on those properties are determined. Properties of the cast products are comparedwith the steel wheels which are currently used by the railway company.Study has also thrown a new light on the martensitic transformation. A mathematicalcorrelation as y = x + cFe between atomic radius of alloying elements and the martensitictransformation rates has been discovered.Since the same material was suitable for bucket teeth production, tooth are also cast for thispurpose. Fatigue life is very important for wagon wheels. But mass loss was also importantfor the bucket tips due to the field of use.At the end of the study, altougth our recommendations are mainly based on the mechanicalproperties, economical aspects are also taken into account. Composition which has high Cuand Ni (4) have been found suitable for the wagon wheel production, unalloyed ADI (3) forscraper bucket teeth and materials which has high Cu, Ni and Mo (8) are recommended forthe bulldozer bucket tips.Keywords: Casting, ductile iron, austempering, retained austenite, martensite, plasticdeformation, phase transformation, wagon wheel, grader bucket tip, fatigue strength, wearresistance, solidification simulation, stress analysis.3