TERMO-REAKTİF DİFÜZYON YÖNTEMİ İLE KROM KAPLANMIŞ SiMo FERRİTİK SÜNEK DÖKME DEMİRİN MİKROYAPISAL KARAKTERİZASYONU

Köse N., Aktaş Çelik G., Yılmaz Güler F. B., Günen A., Atapek Ş. H., Polat Ş.

ÇANKAYA INTERNATIONAL SCIENTIFIC STUDENT CONGRESS - VI, Ankara, Türkiye, 15 - 16 Haziran 2026, ss.740-750, (Tam Metin Bildiri)

  • Yayın Türü: Bildiri / Tam Metin Bildiri
  • Basıldığı Şehir: Ankara
  • Basıldığı Ülke: Türkiye
  • Sayfa Sayıları: ss.740-750
  • Kocaeli Üniversitesi Adresli: Evet

Özet

SiMo ferritik küresel grafitli dökme demirler, düşük maliyetleri, iyi dökülebilirlikleri, yüksek ısıl iletkenlikleri ve düşük ısıl genleşme katsayıları sayesinde özellikle egzoz manifoldu gibi yüksek sıcaklık altında çalışan otomotiv komponentlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. SiMo dökme demirler, ferritik matriks içerisinde dağılmış küresel grafit nodülleri, molibdence zengin M6C karbürleri ve hücre sınırlarında yer alan perlitik bölgelerden oluşan bir mikroyapıya sahiptir. Bununla birlikte, yüzeye açık halde bulunan grafit nodülleri yüksek sıcaklıklarda oksijen için tercihli difüzyon yolları oluşturarak oksidasyonun grafit fazı üzerinden ilerlemesine neden olmaktadır. Grafit ve oksijen arasındaki reaksiyonlar sonucunda gelişen karbon kaybı ve yüzey altı oksidasyonu, SiMo dökme demirlerin yüksek sıcaklık oksidasyon direncini sınırlandırmaktadır. Bu nedenle, yüksek sıcaklık altında çalışan SiMo dökme demirlerin yüzey özelliklerinin geliştirilmesine yönelik yüzey mühendisliği uygulamaları önem kazanmaktadır. Bu uygulamalar arasında yer alan krom esaslı kaplamalar, yüzeye açık grafit nodüllerinin atmosfer ile doğrudan temasını sınırlandırırken aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda koruyucu Cr2O3 esaslı bariyer oksit tabakasının oluşumunu teşvik ederek oksidasyon direncinin artırılmasına katkı sağlamaktadır. Bu çalışmada, kum kalıba döküm yöntemi ile Y blok olarak üretilmiş ticari SiMo ferritik küresel grafitli dökme demir yüzeylerine termo-reaktif difüzyon yöntemi (TRD) ile krom esaslı kaplama uygulanmış olup oluşturulan kaplama tabakası karakterize edilmiştir. Kaplama işlemi Fe–Cr esaslı toz karışımı kullanılarak 1050 °C sıcaklıkta 3 saat süre ile gerçekleştirilmiştir.

Mikroyapısal karakterizasyon çalışmaları X-ışını difraktometresi, ışık mikroskobu, taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılımlı X-ışını spektrometresi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular; (i) yüzeyde yaklaşık 20 μm kalınlığında homojen bir kaplama tabakasının oluştuğunu, (ii) kaplama bölgesinde Fe ve Cr bakımından zengin difüzyon bölgelerinin geliştiğini, (iii) yüzeye açık grafit nodülleri üzerinde bariyer karakterli bir tabakanın oluştuğunu ve (iv) yüzeyde baskın olarak α-(Fe,Cr) fazı ile birlikte (Cr,Fe)23C6 ve (Cr,Fe)7C3 esaslı karbürlerin oluştuğunu ortaya koymuştur. Elde edilen sonuçlar, termo-reaktif difüzyon yöntemi ile uygulanan krom esaslı kaplamaların SiMo dökme demirlerin yüksek sıcaklık oksidasyon direncinin geliştirilmesine katkı sağlayabilecek potansiyele sahip olduğunu göstermektedir.

SiMo ferritic spheroidal graphite cast irons are widely used in high-temperature automotive components, particularly exhaust manifolds, due to their low cost, good castability, high thermal conductivity, and low coefficient of thermal expansion. SiMo cast irons exhibit a characteristic microstructure consisting of spheroidal graphite nodules dispersed within a ferritic matrix, molybdenum-rich M6C carbides, and pearlitic regions located at cell boundaries. However, surface-exposed graphite nodules provide preferential diffusion pathways for oxygen at elevated temperatures, facilitating the propagation of oxidation through the graphite phase. Carbon loss and subsurface oxidation resulting from graphite–oxygen reactions significantly limit the high-temperature oxidation resistance of SiMo cast irons. Consequently, surface engineering approaches aimed at improving the high-temperature performance of SiMo cast irons have attracted considerable attention. Among these approaches, chromium-based coatings offer an effective strategy by isolating surface-exposed graphite nodules from the surrounding atmosphere while promoting the formation of protective Cr2O3-based oxide scales at elevated temperatures. In this study, chromium-based coatings were deposited on commercially produced Y-block SiMo ferritic spheroidal graphite cast irons using the thermo-reactive diffusion (TRD) process, and the resulting coating layer was comprehensively characterized. The coating treatment was carried out at 1050 °C for 3 h using an Fe–Cr-based powder mixture. Microstructural characterization was performed by X-ray diffractometer, optical microscopy, scanning electron microscopy, and energy-dispersive X-ray spectrometer. The results revealed that (i) a continuous and homogeneous coating layer with an average thickness of approximately 20 μm was successfully formed on the surface, (ii) Fe- and Cr-rich diffusion zones developed within the coating region, (iii) a barrier-type layer was formed over the surface-exposed graphite nodules, and (iv) the coating microstructure consisted predominantly of the α-(Fe,Cr) phase together with (Cr,Fe)23C6 and (Cr,Fe)7C3 carbides. These findings demonstrate that chromium-based coatings produced by the thermo-reactive diffusion process have significant potential for enhancing the high-temperature oxidation resistance of SiMo cast irons.