6. BEYAZ ve YÜKSEK ALAŞIMLI DÖKME DEMİRLER

Transkript

1 6. BEYAZ ve YÜKSEK ALAŞIMLI DÖKME DEMİRLER Gri dökme demirlerin özellikleri; kimyasal bileşimlerinin değiştirilmesi veya kalıp içindeki soğuma hızlarının değiştirilmesiyle, büyük oranda farklılıklar kazanabilir. Beyaz ve yüksek alaşımlı dökme demirler bu belirtilen yöntemlerle üretilebilirler. Beyaz dökme demirler daha yüksek aşınma dirençleri nedeniyle kullanılırlar; bunların yapısında karbon kimyasal olarak birleşik durumdadır. Değişik yüksek alaşımlı dökme demirler ise (beyaz veya gri); korozyon direnci, sıcaklığa direnç, düşük ısıl genleşme, aşınma direnci gibi özelliklerin istendiği uygulamalar için üretilir ve kullanılırlar Çil Uygulanmış Dökme Demirler Alaşımsız Beyaz ve Çil uygulanmış Dökme Demirler Gerek beyaz dökme demirin sertliği, gerekse çil uygulanmış dökme demirde beyaz olarak katılaşan kısmın derinliği, kimyasal bileşimde ve katılaşma hızı gibi döküm parametrelerindeki ayarlamalar ile kontrol edilir. Maksimum sertlik istenen dökümlerde karbon oranı da yüksek tutulur, ancak bu durumda darbe direnci düşük olmaktadır. Az karbonlularda çil uygulanmış yüzey sertliği 350 BSD (Brinell sertlik değeri) ve çekme mukavemeti 35 kg/mm 2 iken, yüksek karbonlularda bu değerler sırsıyla 500 BSD ve 21 kg/mm 2 olmaktadır. Alaşımlı ve alaşımsız beyaz ve çil uygulanmış dökme demirlerin kimyasal bileşimleri ve bazı özellikleri Tablo 6.1 de verilmektedir. Tamamen beyaz yapıda olması istenen dökümler için maksimum kesit kalınlığı genel olarak 1.5 cm ile 12 cm arasındadır. Bu dökme demirlerde yüksek sertliğe karşı darbe direnci gri dökme demirinkinin 1/3 ü kadar olup mekanik şokların söz konusu olduğu uygulamalarda kullanılamazlar. Alaşımsız beyaz veya uygulanmış dökme demirlerin mekanik özellikleri ısıl işlemlerle önemli oranda değiştirilebilir. Çil uygulanmış dökme demirlerde değişik boyutlarda ayrı değerler alan katılaşma hızı, oldukça büyük boyutlara varabilen artık gerilmelere neden olabilmektedir. Bu gerilmeler, gerilim giderme tavlaması ile ortadan kaldırılarak; aşınma direncinde önemli bir azalma olmadan mukavemet ve tokluk değerleri azaltılabilir. Beyaz dökme demirler yüksek aşınma dirençleri yanında, kritik sıcaklığa yakın (650 C) yüksek sıcaklık uygulamalarında da başarı ile kullanılabilir; çünkü bu sıcaklıklarda, beyaz dökme demirin sertliği adi karbon ve düşük alaşımlı çeliklerde olduğu gibi önemli oranda bir düşüş göstermez. Beyaz dökme demirlerin düşük darbe dirençleri ve işlenebilme kabiliyetlerinin kötü oluşu, uygulama alanlarını sınırlar. Başlıca kullanım alanları için; cevher veya çimento değirmen astarları, öğütücü bilyeler, seramik kalıpları ve konveyör parçaları örnek olarak gösterilebilir. İçi yumuşak dış yüzeyi sert olan çil uygulanmış dökme demirler ise geniş olarak; vagon, vinç tekerlekleri, konveyör roleleri gibi parçaların üretiminde kullanılırlar. Çil uygulanmamış yüzeyler iyi işlenebildiğinden diğer parçalara olan bağlantıları kolayca gerçekleştirilebilir Alaşımlı Beyaz ve Çil uygulanmış Dökme Demirler Alaşım ilavesi mikroyapıyı değiştirerek özellikleri geliştirir. Karbürlerin bileşimi daha kompleks hale gelerek, matriks yapısı kaba perlitten asiküler yapılı beynit veya martensite dönüşür. Çok yüksek alaşım elementi ilavesi ile bazen bir miktar ostenit oda sıcaklığındaki yapıda tutulabilir. Alaşım elementi ilavesinin; mukavemet, sertlik, darbe direnci, aşınma direnci, korozyona ve ısıya karşı direnci üzerindeki olumlu etkisi bu tür dökme demirler için çok geniş bir uygulama 84

2 alanı sağlar. Elde edilen özellikler ilave edilen alaşım elementi veya elementlerinin cins ve miktarlarına bağlı olarak gelişir. Dolayısıyla çok sayıda değişik alaşımlı beyaz ve çil uygulanmış dökme demir mevcuttur, ancak bunlar matriks yapılarının gerek alaşım etkisi gerekse soğuma hızı etkisi ile a) ince perlit veya beynit, b) martensit oluşuna göre başlıca iki grup altında toplanabilirler. Tablo 6.1: Çil uygulanmış ve alaşımlı, alaşımsız beyaz dökme demirlerin kimyasal bileşimleri, özellikleri ve tipleri 3. Alaşım ilaveleri beyaz olarak katılaşan derinliği (çil derinliği) önemli oranda etkilerler. Karbon ve silisyumun yanında etki derecesine uygun sıralama ile alüminyum, titanyum, kobalt, nikel, fosfor, bakır (<%4) ve zirkonyum çil derinliği azaltıcı etki gösterirler. Yine etki derecesine uygun olarak vanadyum, krom, molibden ve manganez ilaveleri ise çil derinliğini artırır. Telluryum ve bor çok kuvvetli karbürleştirici olduklarından, çok az oranlarda ilave edildiklerinde dahi çil derinliğini artırırlar; ancak darbe direncindeki önemli düşüş göz önünde tutulduğunda bu elementlerin kontrollü olarak kullanılması gerektiği açıktır Az Alaşımlı Beyaz ve Çil uygulanmış Dökme Demirler Nikel, krom, bakır ve molibden az oranda ilavelerin özellikler üzerinde etkisi Tablo 6.1 de görülmektedir. Çoğu kez Ni-Cr veya Cu-Cr ikili kombinezonları kullanılarak çil derinliği kontrol altında tutulabilmekte ve sertlik, mukavemet ve kullanma süresinde önemli artışlar elde edilebilmektedir. Az oranda Cr ve Mo nin beraber ilavesi, hem mukavemeti hem sertliği arttırmak için yapılır 3. 85

3 Martensitik Beyaz ve Çil uygulanmış Dökme Demirler Daha yüksek miktarlarda nikel (%3-5) ve krom (% ) ilavesiyle beyaz ve çil uygulanmış dökme demirlerde, daha sert bir matriks yapısı (martensit) elde edilir (Şekil 6.1) Şekil 6.1: Ni-Hard mikro yapısı, X Martensitik dökme demirlerin dökülmüş haldeki mikro yapılarında önemli oranda artık (dönüşmemiş) ostenit vardır. Bu ostenit işlem sertleşmesiyle martensite dönüşebilir, ancak bundan doğacak gerilmeler istenmediğinde temperleme veya sıfır altı (subzero) ısıl işlemi ile de ostenitin martensite dönüştürülmesi mümkündür. Martensitik beyaz dökme demirler bir çok patent ismi taşırlar, bunlardan en bilineni (Ni-Hard) metal kalıba döküm, alaşımlı beyaz dökme demirlerde tane boyutunu kültür ve mekanik özelliklerde, kum kalıba dökümlere karşılık oldukça yüksek oranda artış sağlar. Yüksek krom ve yüksek molibden içeren martensitik beyaz dökme demirler, özellikle çok yüksek aşınma direnci gerektiren uygulamalar için üretilirler. Yüksek alaşım içeriği nedeniyle bu dökme demirlerin mikro yapılarında oldukça fazla dönüşmemiş ostenit bulunur. Alaşımsız veya az alaşımlı beyaz veya çil uygulanmış dökme demirler, genel olarak aşınmanın bir başka yüzey veya nispeten büyük boyutlu malzemeler tarafından oluşturulduğu uygulamalarda kullanılırlar. Döküm parçasının etkisine uğradığı aşınma veya erozyon mikroskobik, orta veya alaşımlı ve yapısı karbür ile martensitten oluşan dökme demirlerin kullanılması tercih edilir Korozyona Dirençli Dökme Demirler Alaşımlı dökme demirin korozyon direnci başlıca kimyasal kompozisyon ve mikroyapıya bağımlıdır. Etkin olan faktörler kimyasal kompozisyon ve matriksin yapısıdır. Özel çevre şartları için iyileştirilmiş korozyon direncine sahip yüksek alaşımlandırılmış üç ayrı dökme demir grubu 86

4 bulunmaktadır. Bunlar (1) yüksek silisyumlu dökme demirler, (2) yüksek kromlu dökme demirler, (3) yüksek nikelli dökme demirlerdir. Bazı önemli alaşımlı dökme demirlerin kimyasal kompozisyon arlıkları ve mekanik özellikleri Tablo 6.2 de verilmiştir 2. Tablo 6.2: Korozyona dirençli bazı alaşımlı dökme demirlerin kimyasal kompozisyonları ve mekanik özellikleri Yüksek Silisyumlu Dökme Demirler %12-18 silisyum içeriğine sahip dökme demirler korozif asitlere karşı çok dirençlidir. %14.5 veya daha yüksek silisyum içeren bu dökme demirler kaynar durumdaki %30 sülfürik aside karşı çok yüksek bir dirence sahiptir. %16.5 gibi yüksek silisyum içeren dökme demirler kaynar durumdaki sülfürik ve nitrik asitlerin hemen hemen bütün konsantrasyonlarına karşı dirençlidir. Buna karşın düşük ısıl ve mekanik darbe direnci gibi zayıf mekanik özelliklere sahip bu alaşımların yüksek silisyum içeriği nedeniyle dökümleri ve hemen hemen işlenmeleri imkansızdır. Yüksek silisyumlu iki dökme demir mikroyapısındaki grafit lamellerinin dağılımları şekil 6.2 a ve b de gösterilmiştir Yüksek Kromlu Dökme Demirler %15-30 gibi yüksek kromlu dökme demirler beyaz dökme demirlerdir. Krom aşınma ve korozyon direnci sağlar. Yüksek kromlu dökme demirler oksitleyici asitlere özelliklede nitrik aside karşı dirençlidir. (Şekil 6.3) ve pek çok organik asit ve tuz çözeltileri ile oksitleyici şartlar altında zayıf asitlerle çalışmak için kullanışlıdır. Krom dökme demirlerin mekanik özellikleri yüksek silisyumlu dökme demirlerden daha iyidir (Tablo 6.2). Yüksek kromlu dökme demirlerin karbon ve krom içerikleri uygun bir şekilde ayarlandığında ısıl işleme tepki verirler. Buna karşın bu alaşımların işlenebilirliği oldukça zordur. 87

5 Şekil 6.2: Yüksek silisyumlu korozyona dirençli dökme demirlerin mikro yapıları (a) ASTM A 518 (%14.5 Si) döküm sonrası mikroyapısı. Gri dökme demir, Fe-Si ferrit katı eriği matriks ve A tipi grafit pulları. (b) Yüksek silisyumlu korozyona dirençli dökme demir (%0.9 C, %14.5 Si, %0.1 Mn, %4.5 Cr) döküm sonrası dendritik Fe-Si-Cr ferrit katı eriği ve A ve E tipi grafit lamelleri (siyah) ve dendritler arası (Fe 3 Cr) 3 C (açık renkli) gri dökme demir 2. Şekil 6.3. Sülfürik ve nitrik asitlerde saf ve yüksek alaşımlı dökme demirlerin kullanışlı ömrü 2. Şekil 6.4 de yüksek kromlu korozyona dirençli dökme demirlerin mikroyapıları gösterilmiştir. Bunlardan birisi döküm sonrası şartlarda ve diğeri döküm sonrası ısıl işlem uygulanmış şartlardadır 2. 88

6 Şekil 6.4: Yüksek kromlu korozyona dirençli dökme demirlerin mikroyapıları. (a) Döküm sonrası şekliyle yüksek kromlu korozyona dirençli dökme demirlerin (%3.09 C, %%0.52 Si, %17.8 Mo, %0.46 V) beyaz dökme demir, Fe-Cr ferrit katı eriyik matrikste dendritler arası ve kümelenmiş ötektik (Cr 3 Fe) 7 Cr 3 (açık renkli) ve biraz perlit (gri) göstermektedir. (b) 1010 C da bekletme ve havada soğutma ile normalleştirme ve 260 C da temperlenmiş yüksek kromlu korozyona dirençli dökme demir. Beyaz dökme demir temperlenmiş matrikste dendritler arasında kümelenmiş ötektik (Cr, Fe) 7 Cr 3 (açık renkli) Yüksek Nikelli Dökme Demirler Yüksek nikelli ostenitik dökme demirler yaygın şekilde kullanılmaktadır ve Ni-dirençli dökme demirler olarak bilinirler. %14-30 Ni içeren ostenitik gri dökme demirler oda sıcaklığında sülfürik asidi içeren yumuşak oksitleyici asitlere karşı oldukça dirençlidir (Şekil 6.3 a). Yüksek nikelli dökme demirler alkalilere karşı alaşımsız dökme demirlerden daha dirençlidirler ve özellikle de yüksek sıcaklıklarda kullanışlıdırlar (Şekil 6.4 b). Şekil 6.4: Hidroklorik asitteki yüksek alaşımlı dökme demirlerin ve kostikteki sade ve ostenitik dökme demirlerin kullanışlı ömürleri 2. Yüksek nikelli dökme demirler ostenitik matrikslerinden dolayı lamel grafitli dökme demirlerin en yüksek tokluğa sahip olanıdır. Bu alaşımların lamel grafitlerden dolayı çekme, dayanımları nispeten düşük olmakla beraber işlenebilirlikleri ve döküm özellikleri mükemmeldir. Yüksek nikelli küresel grafitli dökme demirler küresel grafitlere sahip oldukları için dayanımları 89

7 yüksektir. Yüksek nikelli (lamel tipi grafit) korozyona dirençli dökme demirlerin mikro yapıları şekil 6.5 de gösterilmiştir 3. Şekil 6.5: Yüksek nikelli korozyona dirençli dökme demirlerin mikro yapıları (a) (%30 Ni, %3 Cr); korozyona dirençli dökme demir. Gri dökme demir mikroyapısındaki yüksek nikelli ostenit matriks ve A tipi grafit lamelleri ve de bazı dentditler arasında (Fe 3 Cr)3C (gri ana hatlı). (b) Yüksek nikelli korozyona dirençli dökme demir (%2.7 C, %2.8 Si, %1.4 Mn, %20 Ni, %2.4 Cr); Gri dökme demir yapısındaki ostenit matriks ve D ve E tipi lamelleri ve de dendritler arası karbür (açık renkli) Isıya Dirençli Alaşımlı Dökme Demirler Isıya dirençli alaşımlı gri ve küresel grafitli dökme demirler, silisyum (%3 ün üzerinde) krom, nikel, molibden veya yüksek sıcaklık özelliklerini iyileştirmek için alüminyum ilaveli Fe-C-Si alaşımlarıdır. Bazı endüstriyel olarak önemli ısı dirençli dökme demir alaşımlarının kimyasal kompozisyonları ve mekanik özellikleri Tablo 6.3 de verilmiştir. Tablo 6.3: Isıya dirençli alaşımlı dökme demirlerin mekanik özellikleri ve kimyasal kompozisyonları C ın üzerindeki sıcaklıklarda dökme demirlerin mekanik özellikleri sıcaklık yükseldiğinde yavaş yavaş azalır ve dökme demir, büyüme ve oksidasyon gibi kimyasal değişime uğrar. Büyüme hacimdeki kalıcıdır ve bazı dökme demirlerde ve bu özellikle gri dökme demirlerde, yüksek sıcaklıklarda olur. Büyüme prensip olarak (1) Fe 3 C nin grafit ve demire dönüşüm reaksiyonu sonucu meydana gelen genleşme ve (2) grafitin karbon monoksit olarak oksitlenmesinden sonra demirin oksitlenmesi sonucu gerçekleşir. 90

8 Oksidasyon, dökme demir yüzeyi etkin bir süre yüksek sıcaklıklarda maruz kaldığında da olur. Yüksek sıcaklıklarda yüzey oksitleri gözenekliyse veya lameller yok olursa metal oksitlenmesi devam edecektir. Sonuçta malzeme kaybından dolayı malzemenin dayanımı azalacaktır Kromlu Dökme Demirler Krom, karbürlerin kararlı hale gelmesine yardım ettiği ve metal yüzeyinde koruyucu bir oksit oluşturduğu için ısı dirençli dökme demirlere ilave edilir. Çok küçük miktardaki krom (%0.5-2) ilavesi dahi şekil 6.6 da gösterildiği gibi 800 C ısıtma çevrimine maruz bırakılmış gri dökme demirlerde büyümeyi azaltır. Yüksek sıcaklıkta uzun süre kullanımdan sonra %0.8 Cr ısıya dirençli dökme demirlerin perlitik matriksi şekil 6.7 a ve b de gösterildiği gibi ferrite dönüşmüş ve perlitin sementiti küreleşmiştir. 15 den 35 e kadar yüksek krom ilaveleri yaklaşık 980 C a kadar olan sıcaklıklar için mükemmel oksidasyon ve büyüme direnci sağlar (Şekil 6.8). Buna karşın bu yüksek kromlu dökme demirler beyaz dökme demir yapısına sahiptir.bu nedenle bu dökme demirler iyi dayanım özelliklerine sahip olmakla beraber işlenebilirlikleri sınırlıdır 2. Şekil 6.6: Gri dökme demir 800 C için ısıtma çevrimine maruz bırakıldığında kromun büyüme üzerine etkisi 2. Şekil 6.7: Isıya dirençli dökme demirlerin mikro yapıları (a) ASTM A 319 (%3.5 C, % Cr) perlit matrikste A tipi grafit lamelleri, gri dökme demir. (b) Aynı dökme demir uzun süre yüksek sıcaklık ortamında bulunmasından sonra, orijinal perlit matriksindeki sementitin hemen hemen tamamı küreleşmiş ve bu sebeple matriks ferrittir 2. 91

9 Şekil 6.8: Havada değişik sıcaklıklarda 36 saat tutma sonucunda alaşımlı dökme demirlerin oksidasyon direncine krom yüzdesinin etkisi Yüksek Silisyumlu Dökme Demirler %3.5 den az silisyum içeriği grafitleşmeyi teşvik ederek gri dökme demirin büyüme hızını artırır. Buna karşın %4-8 silisyum içeriği oksidasyon (derecesi) ve büyümeyi oldukça azaltır. Silisyum, oksitleyici atmosferi geçirmeyen hafif bir yüzey oksidi oluşturmakla gri dökme demirin oksidasyon direncini arttırır. Silisyum, ferritin ostenite dönüşümünü 900 C a kadar yükselttiği için dönüşümden dolayı oluşan genleşme ve çekme önlenebilir. Şekil 6.9 da yüksek sıcaklıklarda oksidasyon dirençli dökme demir Silal in diğer alaşımlı dökme demirlerle karşılaştırılmasını göstermektedir. Yüksek silisyumlu ısıya dirençli dökme demirlerin döküm sonrası mikro yapısı şekil 6.10 da gösterilmiştir 2. 92

10 Şekil 6.9: Havada farklı sıcaklıklarda 200 saat tutma sonucunda değişik dökme demirlerin oksidasyonu 2. Şekil 6.10: Yüksek silisyumlu ısıya dirençli dökme demirin (%3.5 C, %3 Si, %0.7Mn) 0döküm sonrası mikroyapısı: %15 perlit (düzensiz gri oluşum) ve %85 ferrit (açık) ve de temper grafit nodülleri Yüksek Nikelli Dökme Demirler %18 veya daha fazla Ni, %7 ye kadar bakır ve % c içeren ostenitik dökme demirler ısı ve korozyon direncinin gerekli olduğu yerlerdeki uygulamalar için kullanılır. Ni-dirençli dökme demirler, yüksek sıcaklık tufallaşmasına ve çok oksitleyici atmosferler için yaklaşık 815 C a kadar büyümeye karşı iyi dirence sahiptir. Buna karşın kükürt içeren atmosferlerde bu alaşımların kullanımları yaklaşık 500 C ın altındaki sıcaklıklarda sınırlıdır. Ostenitik nikelli dökme demirler diğer ısıya dirençli silisyum ve krom alaşımlı dökme demirlerden oldukça fazla tokluk ve darbe direncine sahiptir. Küresel grafitli yüksek nikelli dökme demirler oldukça sağlamdır ve lamel grafitli nikel alaşımlı dökme demirlerden daha fazla sünekliğe sahiptirler 2. 93