High chromium and silicon steel, the wear behavior of the material against the effect of applied load and

1. YÜKSEK KROM VE SİLİSYUMLU ÇELİĞİN AŞINMA DAVRANIŞINA
UYGULANAN YÜKÜN VE KARŞI MALZEMENİN ETKİSİ
Görkem YARGÜL*, Mustafa BAKIR**, Orkun TÜFENK**, Yavuz SUN*,
Hayrettin AHLATCI*
*Karabük Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Müh. Böl., karabük,
hahlatci@karabuk.edu.tr
**As Çelik Döküm İşleme San. Tic. Ltd. Şti.
ÖZET
Bu Çalışmada % 1.3C, % 1.8Si, % 0.7Mn ve % 28.5Cr içeren DIN 1.4777 (G-X130CrSi29)
kalite çeliğin aşınma davranışına uygulanan yükün ve karşı malzemenin etkisi incelenmiştir.
Döküm halinde temin edilen çelik 1150 oC’de 3,5 saat homojenleştirme ısıl işlemine tabi
tutulmuştur. Aşınma deneyleri, 10N’dan 60 N’a kadar 4 farklı yük altında AISI 4140 (ıslah
çeliği-42CrMo4) ve DIN 1.2379 (soğuk iş takım çeliği-Cr12Mo1V1) kalite çelikler üzerinde
gerçekleştirilmiştir. Uygulanan yükün artışı ağırlık kaybını artırırken, karşı malzemenin
DIN1.2379 kalite çelik olması durumunda aşınma oranı 7 kat artmıştır.
Anahtar kelimeler: Adhesif aşınma, DIN1.477, ıslah çeliği, karşı malzeme, soğuk iş takım çeliği, uygulanan
yük.
EFFECT OF APPLIED LOADS AND COUNTERFACES ON THE WEAR
BEHAVIOUR OF THE STEEL WITH HIGH Cr AND Si
ABSTRACT
In this study, the effect of the counter face materials and the applied load on the wear behavior of 1.3%C,
1.8%Si, 0.7% Mn and 28.5Cr % containing DIN 1.4777 (G-X130CrSi29) quality steel has been investigated.
This steel supplied in as-cast condition was subjected to homogenization heat treatment at 1150 oC for 3.5 hours.
Wear tests was carried out under four different loads from 10 N to 60 N and on the AISI 4140 (quenched and
tempered steel-42CrMo4 steel) and DIN1.2379 (cold work tool steel-Cr12Mo1V1) quality steels. While
increasing in the applied load augmented weight loss, wear rate increased against DIN1.2379 quality counterface
steel for 7fold.
Keywords: Adhesif aşınma, DIN1.477, ıslah çeliği, karşı malzeme, soğuk iş takım çeliği, uygulanan yük.
1. GİRİŞ
Yüksek Cr’lu dökme çelikler, üstün korozyon ve yüksek sıcaklık özelliklerinin yanı sıra
aşınma dirençleri açısından da en önemli malzeme sınıfını oluşturmaktadırlar. Isıya dirençli
alaşım çelikleri olarak bilinen bu çelikler, oksidasyona ve yüksek sıcaklıklarda gazların
tepkisine direnç göstermek için tasarlanmışlardır. Bu nedenle %30 krom ve %3,5 silikonun
birlikte ilave edildiği bu çeliklerin ticari kullanımlarına örnek olarak; gaz türbinleri, askeri
ekipmanlar, kimyasal proses ekipmanları, ve uçakların motorları verilebilir [1,2]. Ülkemizde
bu çelikler daha çok çimento fabrikalarında ve kil ocağı yakma fırınlarında kullanılmaktadır.

2. Literatürde, genellikle paslanmaz çeliklerin ve yüksek Cr ve Ni içeriğine sahip çeliklerin
korozyon ile aşınma özellikleri incelenmiştir [3-9]. Bu çalışmada ise; Cr içeriği %28.5, %1.3
C’lu ve % 1.8 Si içeren dökme çeliklerin aşınma direncine uygulanan yükün ve karşı
malzemenin etkisi incelenmiştir.
2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Bu çalışmada döküm halinde temin edilen ve kimyasal bileşimi Tablo 1’de verilen
DIN1.4777 malzeme ve G-X130CrSi29 kod nolu çelik, 1150 oC’de 3,5 saat homojenizasyon
ısıl işlemine tabi tutulduktan sonra karakterizasyon ve aşınma deneylerine tabi tutulmuştur.
Karakterizasyon deneyleri, metalografi ve sertlik ölçümü ile gerçekleştirilmiş olup, aşınma
deneyi pin-on-disk tipi metal-metal aşınma deney cihazında yapılmıştır.
Tablo 1. İncelenen DIN 1.4777 çeliğin kimyasal bileşimi.
Çelik Kodu %C % Cr % Si % Mn
DIN1.4777
1.3 28.5 1.8 0.7
(GX130CrSi29)
Metalografi testleri için bakalite alınmış numuneler 120, 400, 600, 800 ve 1200 mesh
aşındırıcı üzerinde zımparalandıktan sonra 1 µm Al2O3 solusyonu ile parlatılmıştır. Parlatılan
numuneler oksalik ait çözeltisinde 1.5 volt altında 15 saniye süreyle elektrolitik olarak
dağlanmıştır. Mikroyapısal incelemeler, bilgisayar donanımlı Leica model optik ışık
mikroskobu kullanılarak yapılmıştır.
Metal-metal aşınma deneyleri, 30 mm yüksekliğinde ve 4 mm çapındaki deney numuneleri
kullanılarak, normal atmosferik koşullarda, AISI 4140 (DIN 1.7225) kalite ıslah çeliği (198
HB) ve DIN 1.2379 kalite soğuk iş takım çeliğinden (62 HRC) imal edilmiş diskler üzerinde
yapılmıştır. Aşınma deney numunelerine 10-60 N arasında dört farklı yük uygulanmıştır.
Deneyler 0.2 m/s kayma hızı ve toplam 4000 m kayma mesafesinde gerçekleştirilmiştir.
Deney sonuçları ağırlık kaybı metoduna göre incelenmiştir. Metal-metal aşınma deneylerinde
ağırlık kayıpları deney öncesi ve deney sonrasında 0.1 mg hassasiyete sahip elektronik terazi
ile numune ağırlıkları ölçülerek belirlenmiştir.
2. DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA
Döküm halinde temin edilen alaşımın homojenleştirme ısıl işlemi sonrası mikro yapılarına ait
optik mikroskop görünümleri Şekil 1’de verilmiştir. Mikroyapı, matris ve karbürlerden (siyah
bölgeler) oluşmaktadır. Fadilha [10], % 55 Fe, % 29 Cr, % 11 Mo ve % 5 Ni ve Sun [11],
27.5 Cr, 1.2Si, 0,33 C ve 4,65 Ni tipik bileşimine sahip olan alaşımların matrisinin ferritik ve
içeren karbürlerin de Cr’ca zengin M23C6 tipi karbürlerin olduğunu rapor etmişlerdir.
EN10295 standardına göre yaklaşık % 2 Si içeren bu çelikler ferritik matrise sahip ısı dirençli
dökme çelikler olarak isimlendirilmektedir [12]. Dolayısı ile Şekil 1’de görüldüğü gibi ferritik
ana matris üzerinde karbürlerin çökeldiği düşünülmektedir.

3. Şekil 1. Homojenleştirilmiş durumdaki çeliğin mikro yapılarına ait optik mikroskop
görünümü
Yüksek Cr’lu dökme çeliklerin matris bileşimine bağlı olarak yapısı ferrit ve/veya ferrit +
ostenit olabilmektedir. Ana alaşım elementi olan Cr, Fe-Cr ikili faz diagramından da
incelenebileceği gibi ferrit sahasını genişetir. Fe-Cr-Ni dökme çeliklerde oluşabilecek
karbürler MC, M23C6, M6C ve M7C3 tipi karbürlerdir. Yüksek oranda Cr içeren çeliklerde
M23C6 tipi karbürler yaygın olarak bulunmaktadır. Tablo 1’de verildiği gibi Cr içeriği yüksek
olan DIN1.4777 kalite çelikte matris ferritik ve karbürler Cr23C6 tipi olduğu rapor edilmiştir.
İncelenen alaşımın sertlik ve darbe deneyi sonuçları ise sırasıyla 23 HRC(255 hv) ve 5,2J iken
çekme mukavemeti 608 MPa olarak ölçülmüştür.
İncelenen alaşımların metal-metal aşınma deneyleri sonrası ağırlık kayıpları, kayma
mesafesine bağlı olarak Şekil 2’de gösterilmiştir. Karşı malzemenin AISI 4140 kalite çelik
olması durumunda hafif aşınma meydana gelirken DIN 1,2379 kalite çelik üzerinde
gerçekleştirilen aşınma deneyleri daha yüksek ağırlık kaybı sergilemişlerdir. Şekil 2’de
verilen eğrilerin eğiminin ölçülmesi ile belirlenen aşınma hızı değerlerinin uygulanan yüke
göre değişimi Şekil 3’ verilmiştir.
Homojenleştirilmiş haldeki alaşımının aşınma hızı AISI 4140 kalite çelik üzerinde uygulanan
tüm deney yükünde lineer ve hafif bir şekilde artarken DIN 1.2379 kalite çeliğin üzerinde
aşınma hızı 20 N’un altında ve üstünde değişim göstermiştir. DIN 1.2379 kalite çelik üzerinde
aşındırılan çeliğin aşınma hızı, 20 N deney yüküne kadar hafif bir şekilde artarken, 20 N’un
üzerindeki yüklerde şiddetli bir şekilde aşınma hızı meydana gelmektedir. 60 N yük altında
AISI 4140 kalite çeliğe kıyasla DIN1.2379 kalite çelik üzerinde 7 kat aşınma hızında artış
meydana gelmiştir.

4. U y g u la n a n Y ü k ( N ) S em bol
10
0 .0 3 20
40
60
A ğ ır lık K a y b ı ( g )
0 .0 2
0 .0 1
0 .0 0
0 1000 2000 3000 4000
K a y m a M e s a fe s i (m )
(a)
U y g u la n a n Y ü k ( N ) S em bol
10
0 .0 3 20
40
60
A ğ ır lık K a y b ı ( g )
0 .0 2
0 .0 1
0 .0 0
0 1000 2000 3000 4000
K a y m a M e s a fe s i (m )
(b)
Şekil 2. Homojenleştirilmiş durumdaki çeliğin (a) AISI 4140 kalite ve (b) DIN1,2379 kalite
çelik üzerinde aşınma deneyi sonrası elde edilen ağırlık kabı değerlerinin kayma mesafesi ile
değişimi.

5. 70
K a r ş ı M a lz e m e Sem bol
4 1 4 0 K a lite Ç e lik
60
2 3 7 9 K a lite Ç e lik
50
A ş ın m a H ız ı (g /m )* 1 0 -7
40
30
20
10
0
0 10 20 30 40 50 60
U y g u la n a n Y ü k ( N )
Şekil 3. Homojenleştirilmiş çeliğin aşınma deneyi sonrası elde edilen aşınma hızı değerlerinin
deney yükü ile değişimi
Şekil 4.’deki aşınmış yüzey görüntüleri incelendiğinde, alaşımların aşınma yüzeylerinde iki
farklı topografinin mevcut olduğu görülebilir. Düşük yüklerde (10 N), gerek AISI 4140 kalite
çelik üzerinde gerekse DIN1.2379 kalite çelik üzerinde aşındırılan çeliğin aşınmış
yüzeylerinin daha düzgün ve oksit tabakası ile kaplı olduğu görülmüştür. Bu nedenle söz
konusu deney koşullarında oksitlenmeli aşınmanın etkin aşınma mekanizması olduğunu
söylemek mümkündür. Yüksek deney yüklerinde (40 N), AISI 4140 kalite çelik üzerinde
oksitlenmeli aşınma devam ederken DIN1.2379 kalite çelik üzerinde oksit tabakası kalkmıştır.

6. Karşı Deney Yükü (N)
Malzeme
AISI 4140 kalite ıslah çeliği 10 N 60 N
DIN 1.2379 kalite soğuk iş takım
çeliği
Şekil 4. Aşınma deneyleri sonrası aşınma yüzeyine ait optik mikroskop görüntüleri
3. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME
Bu çalışmada yüksek krom ve silisli çelikler homojenleştirilmiş halinde mikroyapı
karakterizasyonu deneylerine, farklı yüklerde ve iki farlı kalitede karşı malzeme üzerinde
aşınma deneylerine tabi tutulmuş olup, elde edilen sonuçlar özetlenmiştir. İncelenen çeliğin
mikroyapısında ferritik matris içinde Cr23C6 karbürleri mevcuttur. Çeliğin aşınma direnci
uygulanan yükün artması ve karşı malzemenin DIN 1.2379 kalite çelik olması durumunda
azalmıştır.
KAYNAKLAR
1. Metal Handbook 8th Edition, 1990, “Properties And Selection Of Metals; Heat Resistance Casting”, V1,ASM
Int., Materials Park Ohio, 1983.
2. R.W.K.Honeycombe, “Steels; Microstructure And Properties”, Edward Arnold LTD., London, 1981.
3.Wang, Y., Tingquan, L., Jiajun, L., “Tribo-Metallographic Behavior Of High Carbon Steels In Dry Sliding”,
I.Wear Mechanism And Their Transition, Wear, Sayı 231, S 1-11, 1999.
4. H.Goto, Y.Amamoto, “Effect Of Varying Load On Wear Resistance Of Carbon Steel Under Unlubricated
Conditions”, Wear, Sayı 254, S 1256-1266, 2003.
5. Y.C.Lin, S.W.Wang, T.M.Chen, “A Study On The Wear Behaviour Of Hardened Medium Carbon Steel”,
Journal Of Materials Processing Technology, Sayı 120, S 126-137, 2002.
6. X.C.Lu, L.Shizhuo, J.Xiaoxia, “Effects Of Sigma Phase In Stainless Steels On Corrosive Wear Behavior In
Sulphuric Acid”, Wear, Sayı 251, S 1234-1238, 2001.
7. M.B.Cortie, K.Premachandra, “Microstructural Development And Abrasion Resistance Of An Experimental
Ferrite-Sigma Alloys”, Scripta Metallurgica Et Materialia, Sayı 47, S 1847-1852, 1992.

7. 8. W.A.Metwally, M.K.Song, “Evolution Of Abresive Wear And Erosion-Corosion Resistance Of High Cr Cast
Steel”, Steel Research, Sayı 65, S 455-461, 1994.
9. E.Zumelzu, I.Goyos, C.Cabezas, O.Optiz, A.Parada, “Wear And Corrosion Behaviour Of High Cr Cast Iron
Alloys”, Journal Of Materials Processing Technology, Sayı 128, S 250-255, 2002.
10. A.F.Fadilha, P.R.Rios, “Decomposition Of Austenite In Austenitic Stainless Steels”, ISIJ Int., Sayı 42, S
325-337, 2002.
11. Y.Sun, “Yüksek Krom Ve Nikelli Çeliklerin Aşınma Davranışlarının İncelenmesi”, Doktora Tezi, İstanbul
Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2004.
12. H.Berns, W.Theisen, “Ferrous Materials: Steel and Cast Iron” Springer, Berlin, 2008.