012_kepcedislerinde Kullanilan Mangan Autenik Çeliklerin Incelenmesi

GR

malzemelerin temini, byk ekonomi salar ve malzemeden

efektif yararlanmay byk lde gerekletirir.

ok sayda yap eleman, srtnmeli ya da kaymal

Malzemelerin dayanm zellii hacimsel boyutta ifade zorlamaya maruzdur[1-5]. Bu srada meydana gelen

edilebilir. Bir ok malzeme karakteristiinin yannda tribolojik anma, parann mrn ve gvenliini snrlar.

koullar malzeme iftine, yzey sahasnn kalitesine, zorlanma Gelimi endstri lkelerinde, anma sonucu meydana gelen

ve sistem byklklerine bal olarak topluca ifade maddi kayplar ok byk boyutlardadr. Bundan dolay,

edilmektedir. Dolaysyla, tribolojik koullar bir malzemenin fonksiyonunu yerine getirmek kouluyla, anmas az olan

Kepe Dilerinde Kullanlan Ostenitik

Mangan eliklerinin Mekanik

zelliklerinin ncelenmesi

ZET

Ostenitik mangan elikleri stn mekanik zelliklerinden dolay abraziv anmal alma ortamlarnda yaygn olarak tercih edilmektedir. elik

o

950-1000 C de znme ileminden sonra ani soutma ilemi uygulanm ve yapda karbr oluumu engellenerek yar kararl bir iyap oluumu

salanmtr. Daha sonra yalandrma sl ilemi ile anayap ierisinde karbr teekkl meydana getirilmi ve malzemenin mekanik

zelliklerinde deiimler deneysel olarak aratrlmtr. retim artlarna bal olarak istenilen malzeme zelliklerinin elde edilemedii ve

uygulamada yetersiz olduu alma ortamlarnda alternatif olarak Hadfield elii gelitirilmitir. Hadfield elii, su verme ileminden sonra

souk ekil verme ilemi ile anayap ierisindeki ostenit martenzite dnerek sertlii 220 Hbden 660 HBye kadar ulamaktadr. Yksek

mukavemet zellii kazandrlan bu eliin kepe dilerinde kullanlmas tercih edilmektedir. Bu almada Ostenitik mangan eliinin mekanik

zellikleri deneysel olarak allm, elde edilen sonular deney parametrelerine bal olarak tartlmtr.

Anahtar Kelimeler: Ostenitik mangan elii, hadfield elii, i makinalar, kepe dileri,

*

Kamil DELKANLI

Sleyman Demirel niversitesi, Makine Mhendislii Blm 32260 Isparta - [email protected]

Fevzi BEDR


Erturul DURAK


Mhendis ve Makina Cilt : 49 Say: 57814

makale

ABSTRACT

Austenitic manganese steels have widely preferred in especially abrasive wear conditions because of their superior mechanical properties. The

o

material was rapidly cooled to a relatively low temperature soon after heated to 950-1000 C. This process is provided austenite to transform in

diffusionless into martenzite which is a nonequilibrium single-phase structure. Later tempering is accomplished by heating a martensitic steel to

a temperature below the eutectoid for a special time period. This tempering heat treatment allows, by diffusional processes, the formation of

tempered martenzite to stable ferrite and cementite phase, giving the material low mechanical properties. Because of this a alternative material,

Hadfield steel, was developed in such applications. After quenching and subsequent cold deformation, Hadfield steel was gained superior

mechanical properties and reached to 660 HB hardness value, which is preferred to use in bucket teethes. In this study, mechanical properties of

austenitic manganese steels was investigated and the results was discussed depending on experimental results.

Keywords: Austenitic manganese steel, hadfield steel, contruction machines, bucket teethes

The Study Of Mechanical Properties Of

Austenitic Manganese Steels Used in

Bucket Teethes

* letiim yazar

Geli/Received : 10.01.2008

Kabul/Accepted : 27.02.2008

osonra 600 C yalandrma sl ilemi uygulanmtr. Isl ileme sertlii, dayanm, sneklilii ya da elastiklii gibi mekanik

ve mikroyap deiimine bal olarak numunelerin sertlik zellikler anmann tanmlanmas iin yeterli deildir,

deiimleri aratrlmtr. Sertlik lmleri Wolpert marka mutlaka tribolojik koullarda nemli etkilerin tetkikini

sertlik lme cihaz ile yaplmtr. Deneyler 2.5 mm u ve gerektirir[6].

187.5 kgf yk altnda llmtr.

Buna karlk, belirli anma mekanizmasnda tek anlaml

almann son aamasnda numunelerin noktadan eme yaklam verilebilir. yle ki, abrasif anma tarz, anma

deneyleri yaplm deneylerde 40 tonluk Wolpert niversal miktar ve sertlik arasndaki bant ile ifade edilebilir.

eme ve ekme cihaz kullanlmtr. Deney numuneleri TS Malzemenin sertlii, daha sert dier bir malzemenin, bu

205'e gre hazrlanm numuneler zerinde yaplmtr. malzemenin ierisine girmesine kar, sz konusu malzemenin

Deneylerde iki farkl i yap zelliine sahip numune gsterdii diren olarak ifade edilir. Bu deer, mikro o

kullanlmtr. Eme ilemi numunenin d bkm as 120 yi kesimlerde sert paracklarn meydana gelmesiyle ortaya kan

buluncaya kadar devam etmitir. Deney sonucunda numune anma durumunda bir karakteristik olarak alnabilir. Bu olay,

yzeylerinde atlak oluumu kontrol edilmitir.pratikte abrasif anma olaylar iin kullanlabilmektedir.

Bu almada Trkiye Kmr letmeleri Kurumu Garp Linyit

letmeleri ak ocaklarnda toprak kazda kullanlan i

makinalarnn kepe dii, kepe kovas ve yry paletlerinin

imalatnda kullanlan ostenitik manganl eliin mekanik Ostenitik manganl elikler yksek anma dayanm

ozellikleri aratrlmtr. gsterirler [7]. Yap 950-1000 C scaklklardan ani

soutulduklarna i yapda karbr oluumu engellenir. Ancak

dk souma hzlarnda karbr oluumu meydana gelir ve

anma direnci olumsuz ynde etkilenir. Bu almada P.H. 1900 AL ve 2300 XP model ekskavatrn

kepe dii incelenmi ve di ostenitik manganezli elik Mangan elikleri souk ekillendirme ile dayanmlar ok

malzemeden imal edilmitir. Malzemenin kimyasal analizi fazla artmaktadr [8]. Bu durum onlarn karakteristik bir

Spectrolab Marka Kimyasal analiz cihaz ile yaplmtr. zelliidir. 950 ile 1000C'den ani soutmadan sonra yaklak

Analizi yaplacak parann yzeyi talanarak prz 200 HB olan sertlik deeri, souk ekillendirmeyle ve kat

ykseklii azaltlmtr. Numune cihaza yerletirildikten deere ulamaktadr. Bunun sebebi kayma dzlemlerinde -

sonra para yzeyine argon gaz flenerek yzeyde yanma martensitin submikroskobik kelmesi olarak gsterilir. Garp

meydana getirilmitir. Yanma sonucunda oluan k optik Linyit letmelerinde kullanlan yry paletleri ve kepe

okuyucularda alglayarak malzemenin iinde bulunan dileri ostenitik mangan eliinden retilmektedir. ekil 1, 2

elementler ve oranlar bilgisayar ortamna iletilmitir. ve 3' te rnek paralar gsterilmektedir.

Deneyde kullanlan malzemenin kimyasal analizi Tablo 1de

verilmektedir. Ostenitik mangan eliklerinin 1000 C'de solsyona alma

ileminden sonra dk souma hzlarnda (havada soutma)

Kepe dilerinden alnan numuneler uygun byklklerde

sulu ortamda kesilerek yzeyleri 220,600 ve 1200'lk

zmparalar ile ilenmi, daha sonra almine ile parlatlarak

yzeyler saf su ile ykanmtr. Tane snrlarn belirgin hale

getirmek amac ile yzeylere Nital dalayc (%95 alkol ve

%5 asit) tatbik edilmitir. Numunelerin mikroyap resimleri

optik mikroskopta dijital ortamda elde edilmitir.

Kimyasal analizi elde edilen deney numunelerine sl ilem

uygulanm ve i yaplar deiimleri gzlemlenmitir. o

Birinci aamada 950-1000 C den su banyosuna alnarak ani

soutma ilemi gerekletirilmi ve karbrsz i yap

oluumu salanmtr. kinci aamada su verme ileminden

SONULAR VE TARTIMA

Mikroyap ncelemesi

DENEYSEL ALIMA

makale

Mhendis ve Makina Cilt : 49 Say: 578 15

ekil 1. Yry Paletleri, Demonte Edilmi

Tablo 1. Ostenitik Manganl eliin Kimyasal Kompozisyonu

C Si Mn P S Cr Ni Mo Co Cu Fe

0.622 0.212 11.93 0.0218 0.01 0.15 0.0499 0.0416 0.0113 0.0395 86.91

Ostenitik eliklerde yava soutma veya temperleme ilemi

karbrlerin kelmesine neden olur. Karbr kelme blgeleri

genel olarak tane snrlardr.

Karbr kelmesi, eliin 500-800 C scaklklar arasnda

stlmasyla olumaktadr. Genellikle dkm paralar olarak

kullanlan ostenitik manganezli eliklerin, dkm

scaklndan kalp iersinde soumalar srasnda, ok ar

karbr kelmesi olay meydana gelir. Ar karbrl yap

dk darbe mukavemeti zellii gsterir.

Yukarda aklanan karbr kelmesi olay, karbrlerin kat

eriyik ierisine alnmas ve daha sonra su verme suretiyle

nlenir. Bu ilem, eliin ostenit faznn homojenlemesini

salad scakla kadar stlmas ve bunu takiben ok hzl

soutulmas(su verilmesi) kademelerinde oluur. ok kk

paralar iin havada soutma, elie arzulanan yapy vermek

iin yeterli olur.

Ostenitik manganl eliklerde karbrn olumsuz etkilerini

bertaraf etmek amac ile yksek mangan ierikli Hadfield elii

(Fe%1.2 C%13 Mn) gelitirilmitir [9,10] Yksek mangan

etkisi ile ekil 6'da grlebilecei gibi ostenitik faz blgesi oda

scaklna kadar yapsn korumakta ve faz diyagram oda

scaklna kadar alm gstermektedir. Bu durum ne souma

ne de stma ilemi esnasnda ostenitik yap ierisinde ikinci faz

oluumu grlmemektedir. Bu nedenle kat eriyik iine alma

(solsyona alma) ilemi dnm olmadndan bir miktar tane

kabalamasn ortada brakmaktadr. Ancak bu durumun eliin

tokluuna herhangi bir kt etkisi yoktur. Kat eriyik oturma

ilemi bunun aksine ostenitik Mn' l eliklerin tokluunu byk tane snrlarnda karbr kelmesi meydana gelmektedir.

lde artrr. Bu gelime, yava souma durumunda ok fazla Tane snrlarnda karbr oluumu ekil 4'te verilmitir.

karbr kelmesinin meydana geldii byk boyutlu paralar

iin ok daha belirgindir.

ekil 5'te Fe-C denge diyagram gsterilmektedir. Burada

ostenit blge 723C'nin zerinde olutuundan souma

srasnda ya da stmada dengesizlik olmas halinde atlama

Anayap ostenit ve tane snrlarnda koyu renkli karbrler

grlmektedir. Yalnz ostenitik elikler iin uygulanan bu

yntem, gerekte bir homojenletirme tavlamasn veya baz

hallerde bir yeniden kristalletirme tavlamasn ierir.

makale


ekil 2. Yrt Paletleri

ekil 3. Kepe Dileri

ekil 4. Ostenitik Mangan eliinin Isl lem Sonras Tane Snrlarnda

Karbr Oluumu

ekil 5. Fe-c Denge Faz Diyagram

riski faz deitirme olduu iin yksektir. ekil 6'daki Fe-C

denge diyagram ostenitik bir elik olan Hadfield eliinin

yksek Mn'n etkisiyle ostenit blgesinin oda scaklna

kadar nasl aldn gstermektedir. Dolaysyla stma ya da

soutma malzemede risk oluturmaktadr.

Deney numunelerin eilme tokluunun sertlik deerleri ile

deiimini gzlemlemek amac ile TS 205 standartlarna gre iki o

farkl eme numunesi hazrlanmtr. Eme ilemi d a 120

oluncaya kadar devam etmekte ve paralar zerinde herhangi bir

atlak teekkl olup olmad gzle kontrol edilmektedir. ekil

8'de eme deneyi numuneleri, numune boyutlar ve deney

sonular Tablo 2'de, serlik deerleri ile eilme tokluklarnn

deneysel deiimi ise ekil 9'da verilmitir.

A scaklnn zerinde solsyona alnan cm

Manganl elik ani soutma ileminden sonra

ekil 5'deki faz diyagramndan grlebilecei

gibi ostenit baka bir faza dnmn

gerekletiremeden C atomlar ayrma

imkan bulamaz ve demir kafesi ierisine skp kalr. C

atomlar ile doymu yar karal faz hacim merkezli tetragonal

kafes yapsna sahip martenzit fazdr. Martenzit tek fazl bir

kat eriyik olup ince uzun tabakalar halindedir. Martenzit ferrit

hcresine gre hacim olarak %2.4 kadar byktr. Neticesinde

i gerilmeler ve C ylmalarndan kayma olay zorlar ve ekil

deitirme kabiliyeti azalr. Krlganlk ve sertlik artar [11-14].

Ostenitik manganl elikler C muhtevas bakmnda tektoid

stnde yer aldndan yapda bir miktarda kalnt ostenit

oluumu meydana gelir. Martenzit ok sert ve krlgan zellie o

sahip olduundan 250 C scaklkta temperleme ilemi

uygulanarak sertlik bir miktar azalr bunun yannda tokluk artar. o

Btn bu ilemlerden farkl olarak yap 800 C scaklkta tabi

veya suni yalandrma srecinde kararsz yap daha kararl olan

baka bir ara faza dnm gsterir ve tane snrlarnda oluumu

teekkl eder. Ostenitik yap ierisinde karbr teekkl bu

ekilde oluur ve yap daha kararl hale gelmekle beraber

sertliinde bir miktar azalma grlmtr. Bunun yannda

karbr ok sert bir faz olmakla beraber malzemenin ani atlama

riskini artrmakta ve kullanm alann snrlamaktadr. Karbrl

ve karbrsz ostenitik manganl eliin sertlik deiimi ekil

7'de grafik olarak verilmitir.

Beklendii gibi karbrsz yapnn daha yksek sertlik

deerlerine ulat grlmektedir. Bu durum yukarda ifade

dilen sz dorulamaktadr.

Noktadan Eme Deneyi

Karbr Oluumu Tablo 2. Eme Deney Parametreleri ve Deney Sonular

makale

Mhendis ve Makina Cilt : 49 Say: 578 17

ekil 6. Hadfield eliinin Denge Faz Diyagram

ekil 7. Numunelerin Sertlik Deiimleri

ekil 8. Eme Deneyi Numuneleri,Deneyden nce ve Sonra

ekil 9. Eilme Tokluunun Sertlik Deerine Gre Deiimi

i

ek

u

Elm

To

lu,

Mp

a

alma) ilemi dnm olmadndan bir miktar tane

kabalamasn ortada brakmaktadr. Ancak bu durum eliin

tokluuna herhangi bir kt etkisi yoktur. Kat eriyik oturma

ilemi bunun aksine ostenitik Mn' l eliklerin tokluunu byk

lde artrr. Bu gelime, yava souma durumunda ok fazla

karbr kelmesinin meydana geldii byk boyutlu paralar

iin ok daha belirgindir.

Dkm yoluyla elde edilen kepe dileri, alma artlarna da

bal olarak bazlarnda yzeyinde atlak meydana gelmektedir.

atlak gzle grlebilir bir oluum gstermektedir (ekil 11).

atlaklarn oluumunun asl nedeni, dkm sonras kepe

dilerine uygulanan sl ilem esnasnda, souma hznn doru

seilmemesinden kaynaklanmaktadr. Yani, istenilen i yapnn

ekil 11'deki gibi olmayp ekil 4'deki gibi olmasndandr.

Bu durum retim artlarna bal olarak istenilen malzeme

zelliklerinin elde edilemedii ve uygulamada yetersiz olduu

alma ortamlarnda alternatif Hadfield elii gelitirilmitir

Makina Elemanlar Cilt I, Nobel Kitabevi, 2003.

Makina Elemanlar Cilt II, Nobel Kitabevi. 2004.

Mechanical Engineering Design, McGraw-

Hill, Inc.. 2001.

Schmid, Fundamentals of

Machine Elements, MacGraw-Hill, Inc..1999.

Makina Elemanlar I-II, Birsen Yaynevi, 2000.

Variations in Wear Loss With Respect to

Load and Ssliding Speed nder Dry Sand/Rubber-Wheel

Abrasion Condition: a Modeling Study, Wear Volume 250,

Issues 1-12 , October 2001, Pages 59-65.

Development in Austenitic

Steels Containing Manganese, International Materials Karbrl numunenin noktadan eme sonucunda Reviews Volume 34, Issue 2 , 1989, Pages 69-86.

yzeylerinde atlaklar oluturduu ve karbrlerin tane snr A Study of Work-Hardening

mukavemetini drd olarak deerlendirilmitir.Behaviour of Uustenitic Manganese Steels, J. Mater. Sci. 22

(1987), pp. 18081814.

Development of

High-Manganese Steels for Heavy Duty Cast-to-Shape

Applications, Journal of Materials Processing Technology Ostenitik mangan elikleri stn mekanik zelliklere sahip Volumes 153-154 , 10 November 2004, Pages 589-595

olmasndan dolay abraziv anmal alma ortamlarnda The Work-Hardening Behavior of Medium

o

yaygn olarak kullanlmaktadr. Yap 950-1000 C scaklk- Manganese Steel Inder Impact Abrasive Wear Condition,

Materials Letters, Volume 31, Issues 3-6, June 1997, Pages 275-lardan ani soutulduklarna i yapda karbr oluumu 279.

engellenir. Buna karn dk souma hzlarnda ise karbr Heat[11]

oluumu tevik edilmi olur ve anma direnci dktr.S.W. Kim, U.J. Lee, S.W. Han, D.K. Kim, K. Ogi, Heat

Treatment and Wear Characteristics of Al/SiCp Composites Ostenitik manganl eliklerde karbrn olumsuz etkilerini

Fabricated by Duplex Process. Composites, Part B:

Engineering 2003;34(8):737-745.bertaraf etmek amac ile yksek mangan ierikli Hadfield

elii gelitirilmitir. Yksek mangan etkisi ile ekil 6'da

Microstructure and Mechanical Behaviour of AlSiMg Alloys grlebilecei gibi ostenitik faz blgesi oda scaklna kadar Reinforced With TiAl Intermetallics, Journal of Materials

yapsn korumakta ve faz diyagram oda scaklna kadar Processing Technology 2003;143-144:605-611.

alm gstermektedir. Bu durum ne souma ne de stma ASM Handbook, Heat treating, ASM International, v4,1997.

ilemi esnasnda ostenitik yap ierisinde ikinci faz oluumu Malzeme Bilimi, aglayan Basmevi, 1985,

grlmemektedir. Bu nedenle kat eriyik iine alma(solsyona Istanbul.

KAYNAKA

1. E. Ko,

2. E. Ko,

3. J. E.. Shigley,

4. B.J. Hamrock, B., Jacobson, S.,R.,

5. M. Akkurt,

6. K. Elalem, D., Y., Li,

7. P. Rama Rao, V.V. Kutambarao,

8. S.B. Sant, R.W. Smith,

9. R.W. Smith, A. DeMonte, W. B. F. Mackay,SONULAR

10. T. Jing, F. Zhang,

11. S.W. Kim, U.J. Lee, S.W. Han, D.K. Kim, K. Ogi,

12. M.D. Salvador, V. Amig, N. Martinez, D.J. Busquets,

13.

14. K. Onaran.,

makale


ekil 10. Kepe Diinde Meydana Gelen atlak

ekil 11. Hadfield eliinin Yaps

Page 1Page 2Page 3Page 4Page 5

Documents

012_kepcedislerinde Kullanilan Mangan Autenik Çeliklerin Incelenmesi