Optimization of alloying and heat treatment process parameters of austempered ductile iron (ADI) castings

Abstract

Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir sunduğu yüksek mukavemet, tokluk ve aşınma direncine ek olarak düşük yoğunluk ve maliyet avantajı sayesinde mühendislik tasarımlarında yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu malzemelerin güçlü mekanik özelliklerinin nedeni, ösferritik matris üzerinde küresel grafitlerden oluşan özel mikroyapısıdır. Östemperleme ısıl işlemi sonrasında oluşan ösferrit yapısı, iğnemsi ferrit ve karbonca zengin kararlı östenitten oluşmaktadır. Düşük küresellik değerleri ya da iğnemsi ferrit dönüşümünün eksik kalması nedeniyle östenit yapısının yeterince kararlı hale gelmemesi gibi sorunlar mikroyapıyı bozmakta ve mekanik özellikleri olumsuz etkilemektedir. Bu çalışmada Cu ve Cu + Mo + Ni alaşım elementlerinin, ısıl işlem parametrelerinin ve küresel grafit parçacıklarının boyutları ve dağılımlarının, östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir malzemelerin mikroyapısına ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Bunun için, düşük alaşımlı ve düşük alaşıma Cu, Cu + yüksek Mo + düşük Ni ve Cu + düşük Mo + yüksek Ni elementleri eklenmiş Y-blok dökümler üretilmiştir. Y-blok parçalardan çıkarılmış numuneler östemperleme ısıl işleminden geçirilmiş; daha sonra mekanik testler yapılmış, kırılma yüzeyi ve metalografik incelemeler gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, Cu + düşük Mo + yüksek Ni ile alaşımlanmış numunenin daha yüksek mukavemet ve uzama değerlerine sahip olduğunu göstermektedir. Bu da, Cu ve Cu + Mo + Ni alaşımları eklenmiş parçaların karbonca zengin ve kararlı östenit yapısına sahip olduğunu; ve geniş kesit alana sahip parçalarda bile kalınlık boyunca homojen bir ösferritik yapı oluşturulabileceğini göstermektedir. Düşük alaşımlı numune ise, yetersiz alaşımlama ve östemperleme işlemi nedeni ile en iyi küresellik ve sertlik değerlerine sahip olmasına rağmen en düşük mukavemet ve uzama değerlerini vermektedir. Mekanik özelliklerdeki bu değişkenliğin, mikroyapıda bulunan kalıntı östenitin yapısı, miktarı ve dağılımı ile doğrudan bağlanıtılı olduğu gözükmektedir. Son olarak, Pearson Korelasyon Katsayısı yöntemi kullanılarak malzemenin mekanin özellikleri ve mikroyapısı arasındaki ilişki incelenmiştir. Sonuçlar, östenit tane boyutu ve akma dayancı, çekme dayancı ve süneklik arasında Hall-Petch benzeri bir ilişki göstermektedir. EBSD çalışmaları sonrasında iki farklı tip östenit yapısı görülmüştür: i) iğnemsi ferrit yapıları arasında kalmış ince östenit ve ii) östemperleme işlemi sırasında dönüşmemiş önceki östenit tanelerinden kalan blok tipi östenit. Çalışılan numuneler arasında, iğnemsi ferrit tane boyutu 0.7 m'den daha az değişkenlik göstermektedir. Bu nedenle iğnemsi ferrit tane boyutu ile mekanik özellikler arasında iyi bir korelasyon gözükmemektedir. Küresellik ve küresel grafitlerin boyutu arasında ise yüksek korelasyon gözükmektedir. Küresellik derecesindeki küçük farklar mekanik özellikleri etkilememekle beraber, küçük küresel grafit taneleri hem akma hem de çekme dayancı değerlerini iyileştirmektedir. Bu sonuçlar östemperlenmiş küresel grafitlli dökme demirlerin daha da geliştirilmesi ve iyileştirilmesine katkı sağlayabilir.

Austempered ductile cast iron (ADI) has been extensively used in engineering designs since it offers a good combination of high tensile and fatigue strength, good ductility, toughness, wear resistance and damping characteristics, with light-weighting and low cost. This excellent combination of properties is due to the specific microstructure of ADI; which is composed of spheroidal graphite particles on an ausferritic matrix. The ausferrite consists of carbon free acicular ferrite and carbon enriched retained austenite; which is produced via austempering heat treatment after casting. Problems such as low nodularity level or lower stability of austenite due to inadequate acicular ferrite transformation certainly deteriorate this specific microstructure and hence degrade the mechanical properties of the final product. In the present study the effect of the alloying additions of Cu and Cu + Mo + Ni, heat treatment parameters and sizes and distributions nodular graphite particles on mechanical properties and microstructure of ADI was studied. For that purpose, Y-block specimens having a lean composition and Cu, Cu + high Mo + low Ni and Cu + low Mo + high Ni alloying additions were cast. After austempering treatment, mechanical tests, fractographic and metallographic examinations were performed. The results show that the alloying additions of Cu or Cu + Mo + Ni increased carbon content and stability of austenite in the final microstructure, which means completely homogeneous ausferritic structures can be produced on larger cross-sections without the presence of pearlite or martensite. The Cu + low Mo + high Ni alloyed specimenproves that since it shows the lowest formation of martensite and has higher strength and elongation than other castings. The lean alloy on the other hand, has the highest nodularity and matrix hardness but the lowest strength and ductility because of the inadequate alloying additions, austempering time and austempering temperature. Lastly, the relation between microstructural parameters and mechanical properties were studied using the Pearson Correlation Coefficient. The results indicate a Petch-like relation between grain size of austenite and yield strength, tensile strength, ductility. EBSd studies also revealed two different austenite: i) film type between acicular ferrite platelets and ii) block type around prior austenite grain (boundaries) that are not transformed during austempering. The grain size of acicular ferrite does not correlate well with the mechanical properties; since its variation among the studied samples is smaller than 0.7 microns. For the studied set of samples the nodularity and size of graphite nodules are highly correlated; small differences in nodularity doesn't have significant effect on the mechanical properties. On the other hand smaller nodule size improves both yield and tensile strength values. In addition a Hall-Petch like relation is found between grain size of retained austenite and strength, ductility. Those results should provide a useful basis for further development and improvement of ―austempered ductile irons.