Buna termodinamiğin birinci kanunu denir. Sistemin basıncı P hacmi V ise, pratikte genellikle olaylar sabit basınçta oluştuğundan ve

Transkript

1 1. METAL ve ALAŞIMLARINDA KATILAŞMA Alaşımlandırma yani bir metale istenen element veya elementlerin eklenmesi sıvı halde yapılır. Alaşım kalıplara dökülerek ya mamul haline, ya da daha sonra şekillendirilmek üzere kütük haline getirilir. Bu safhalar saf metaller içinde geçerlidir. Döküm sonrası malzeme katılaşma (veya ergime) sıcaklığında sıvı halden katı hale geçecektir. Malzeme ergime sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda, katı halde daha düşük serbest enerjiye sahiptir, daha kararlıdır. Katı halde belirlenen sıcaklık aralıklarında belirli fazların serbest enerjileri düşük olabilir ve o fazlar kararlı fazlardır. Aşağıda önce serbest enerji gibi bazı termodinamik kavramalar açıklanacak, daha sonra da katılaşma olayı incelenecektir Termodinamik Kavramlar Bir sistem (incelenen madde parçası) deki tüm partiküllerin (örneğin atomların) kinetik ve potansiyel (etkileşim) enerjilerinin toplamı iç enerji (E) denir. Sisteme dq kadar ısı enerjisi verilirse, sistemin iç enerjisi de kadar artacaktır. Sistem bu esnada genleşme suretiyle dw kadar iş yaparsa; de = dq-dw (1.1) Buna termodinamiğin birinci kanunu denir. Sistemin basıncı P hacmi V ise, pratikte genellikle olaylar sabit basınçta oluştuğundan ve olduğundan dw = P.dV de+ P.dV = de+d(p.v) = d(e+p.v) = dh (1.2) bulunur ve buradan yeni bir durum fonksiyonu H = E+P.V (1.3) tarif edilir. H ye entalpi adı verilir, sistemin iç ve dış enerjilerinin toplamıdır. Denklem (1.1) ve (1.2) karşılaştırılırsa dh = dq olduğu görülür ve 2 H = dq (1.4) 1 olarak hesaplanabilir. Bu da gösterir ki H sistemin ısı içeriğidir. Bir değişim için H çok önemlidir. Ancak değişimin ne zaman duracağını (denge hali) veya oluşacağını belirtmez. Bu durumun anlaşılması için yeni bir durum fonksiyonu tarif etmek gerekmiştir. Bir kimyasal reaksiyon veya bir hal değişimi sırasında sistem ısı alır veya verir. Eğer, değişim sırasında termodinamik denge hali oluşursa değişim durur aksi halde devam eder. Değişim sırasında atomlar veya moleküller bir düzenden başka düzene geçerler. Sistem ile çevre arasında değişim esnasında alınan veya verilen enerji dq ise ve değişimin oluşturduğu sıcaklık T ise yeni bir durum fonksiyonu; dq / T = ds (1.5) 1

2 yazılabilir. Burada S; entropidir ve sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsüdür. Sistemin partiküllerinin yeni konuma geçebilmeleri için gerekli enerjidir. İzole edilmiş bir sistemde dq = 0 ve dolayısıyla; ds 0 (1.6) dır. Yani izole edilmiş bir sistemin entropisi ancak (tersinir olmayan bir değişimde) veya sabit kalabilir (denge halinde). Buna termodinamiğin ikinci kanunu denir. Tabii ki pratikte olaylar çevreden izole değildir. Dolayısıyla olayları incelerken denge kriterlerine çevre de dahil edilir. Sistem dq ısısını çevreden alarak değişime uğramış olsun. İç enerji de ve dsç ise (1.6) nolu ifadeden (ds+ds ç ) 0 olur. Çevrenin sıcaklığı T sabit kalsın, bu takdirde ds ç = - dq / T ve [ds-dq / T] 0 olur. DQ yerine de+p.dv yazılırsa (de+p.dv-t.ds) 0 (1.7) olur. Olay sabit P ve T de meydana geliyorsa V.dP ve S.dT ifadelerini (1.7) nolu denkleme koyarak ifade değişmez ve denge halinde veya d(e+p.v-t.s) = 0 (1.8) E+P.V-T.S = H-T.S = G (1.9) olur. G ye Gibbs Serbest Enerjisi denir. Demek ki sistemin denge halinde olabilmesi için G serbest enerjisinin minimum olması gerekmektedir. Daha açık bir şekilde ifade edilirse; sistem serbest enerjisini bırakarak devamlı değişime uğrar, eğer kalan serbest enerji minimum değere düşerse denge haline ulaşır. Olay sabit V ve T de meydana geliyorsa P.dV = 0 olacağından denge konumunda F = E-T.S (1.10) olur. F ye Helmoltz serbest enerjisi denir. Demek ki sistem dışarıdan dq ısısını aldığında iç enerjisindeki artışla entropisindeki artış (yeni konuma geçme için gerekli enerji) farkı sıfır ise sistem dengededir, aksi takdirde dışarıya enerji verecektir (serbest enerji) Katılaşma olayı Sıvı halde saf bir metal veya alaşım soğutulmaya bırakılsın. Sıcaklık T>T 0 için katının serbest enerjisi sıvınınkinden daha büyük olduğundan sisteme sıvı faz hakimdir. İlk katılaşma T=T 0 sıcaklığında meydana gelecektir. Katı çekirdeklerin oluşmasına uygun N adet yer var ise çekirdek sayısı en azından; n = N.exp (-ΔG / kt) (1.11) kadardır. k= Boltzmann sabiti; ΔG ise katı ve sıvı faz arasındaki serbest enerji farkıdır. Sıvı fazın serbest enerjisi G 1, katınınki G 2 olsun, eğer ΔG = G 2 -G 1 <0 ise katılaşma kendiliğinden olur ve tamamlanır. Fakat eğer ΔG = G 2 -G 1 > 0 ise katı faz oluşmaz. ΔG = 0 halinde ise katılaşma sonsuz zamanda tamamlanır, yani şekil 1.1 deki T 0 sıcaklığındaki katılaşma bu durumu yansıtmaktadır. 2

3 Şekil 1.1: Sıvı ve katı fazlarda serbest enerji değişimi 1. O halde sıvının katılaşabilmesi için sıcaklığın bir miktar düşmesi gerekir. Bu sıcaklık T 1 ile gösterilirse T 0 -T 1 e aşırı soğuma adı verilir ve bu durumda şekil 1.1 den de görülebileceği ΔG <0 dır. Serbest enerji iki bileşenden oluşmuştur. ΔG = a 3 ΔG v + αa 2 γ (1.12) a = oluşan katı çekirdeğin lineer boyutudur. a 3 hacmini ve αa 2 ise yüzey alanını göstermektedir. ΔG v katı çekirdeğin oluşmasında birim hacim için dışarıya verilen enerjidir, o halde değeri negatifdir. γ ise katı sıvı birim ara yüzeyin oluşturulması için harcanması gereken enerjidir (yüzey enerjisi), değeri pozitifdir. Çok küçük çekirdek boyutlarında αa 2, a 3 den daha büyük olduğundan ΔG değeri pozitif olur ve bir maksimuma kadar büyür. Boyut büyüdükçe a 3, αa 2 den daha hızlı büyüyeceği için ΔG < 0 olur. O halde oluşan çekirdek şekil 1.2 deki a kr den sonra kolaylıkla devam eder. Çünkü ΔG negatif değerlere sahip olur, yani bu demektir ki oluşan katının serbest enerjisi sıvınınkinden daha küçüktür. Bu durumda katılaşma kendiliğinden ilerler. a kr şöyle hesaplanır: buradan olur. d / da (ΔG) = 3a 2 ΔG + 2αaγ = 0 (1.13) a kr = -2αγ / 3ΔG v (1.14) 3

4 Şekil 1.2: Serbest enerjinin çekirdek boyu ile değişimi 1. Bunun için harcanması gereken enerji; A = 4α 3 γ 3 / 27(ΔGv) 2 (1.15) dır. Aşırı soğuma ne kadar büyük olursa dışarıya verilen ΔG v enerjisi de o kadar fazla olacağından (1.14) bağıntısına göre kritik a boyu da o denli ufalacak, yani katılaşma daha kolay meydana gelecektir (Şekil 1.3). Bunun yanında harcanan A enerjisi de azalacağından (1.11) bağıntısına göre kritik boyu aşan çekirdek sayısı artacak ve yapı daha ufak taneli hale gelecektir. Aşırı soğuma sıvı metalin içine döküldüğü kalıbın soğuk olması dolayısıyla meydana gelmektedir. O halde kalıp ne kadar soğuk ise veya ısıya ne kadar iyi iletebiliyorsa aşırı soğuma o kadar daha büyük olacaktır. Çekirdekler a kr boyunu aştıktan sonra büyümeye başlarlar. Sıvı-Kristal ara yüzeyinde meydan gelen katılaşma dolayısıyla harcanan enerji ısı şeklinde dışarıya atıldığından civarındaki katı ve sıvı ısınacaktır. Bundan dolayı katının sıcaklığı denge sıcaklığına kadar (T 0 ) yükselir. Eğer etrafındaki sıvı homojen bir sıcaklık alanına sahipse soğuma esnasında katı her yönde homojen büyüme göstereceğinden küremsi bir şekil alır. Sonuçta katılaşma tamamlandığında metalin taneleri küresel olur. Böyle bir yapı tam bir izotropik özellikten dolayı ideal yapı adını alır. Halbuki pratikte katılaşma çok büyük bir genelde başka şekilde oluşur: Dışarıya atılan ısı (kristalleşme ısısı) sıvıda homojen bir sıcaklık oluşturmaz. Dolayısıyla katılaşma sıvının soğuk bölgelerine doğru ilerleyerek katı iğnecikler oluşturur. 4

5 Şekil 1.3: Aşırı soğuma miktarının a kr e etkisi 1. Sonunda çam dalına benzeyen katılar oluşur ki buna Dendrit adı verilir (Şekil 1.4.a). Dendritler büyüdükçe, aradaki sıvı açığa çıkan ısının artması dolayısıyla çok çabuk soğuyamayacağından katılaşma hızı azalır. Tabii ki artık dendritler büyümüş ve birbirleriyle temas haline gelmişlerdir. Her bir dendrit farklı doğrultularda büyüdüğünden temas yerlerinde katılaşama tamamlandığında tane sınırları oluşur. İrileşmiş dendritlerin arasındaki sıvı dendrit boşluklarını doldurarak sonuçta taneler oluşur (Şekil 1.4.b). Şekil 1.4: (a) Dendritlerin oluşumu, (b) Katılaşmanın tamamlanıp tanelerin oluşumu 1. Eğer dendritler arasında kalan sıvı katı eriyik oluşturmayan atomlardan oluşmuş ise heterojen bir yapı oluşturur ve katılaşma tamamlansa bile dendritler yapıda kalır. Soğuma çok hızlı ve alaşım elementlerinin birbirlerinde ergime miktarı sıcaklıkla beraber hızla düşüyorsa dendritik yapı ortaya çıkar. Döküm sonrası katılaşmada çeşitli oluşumlara rastlanır. Şekil 1.5 de ingot dökümlerde meydana gelen oluşumun şematik kesiti görülmektedir. Sıvı metal soğuk olan ingot kalıplar dolayısıyla çok büyük aşırı soğumaya maruz bırakıldığında (1.11) bağıntısına göre kalıp yüzeyinde çok sayıda ufak tanecikler oluşacaktır. Daha iç kısımlarda sıcaklığın hızla düşüşü azalacak yani aşırı soğuma şiddeti düşeceğinden oluşan iri kristaller kalıbın iç kısmına doğru büyüme göstererek sütunsal yapı oluşturacaktır. Bu esnada kalıp ortasındaki sıvı yeteri kadar soğuyarak az bir aşırı soğuma neticesinde iri taneli dönüşecektir. Buradaki 5

6 ısı iletimi daha homojen olduğundan oluşan taneler herhangi bir yönlenme göstermezler. Büyük parçaların dökümünde iri tanelerin oluşumunu engellemek için sıvı metale bazı yabancı elementler ilave edilir. Neticede yabancı elementler aşırı soğuma miktarını artırarak tanelerin ufalması gerçekleşir. Şekil 1.5: İngotta katılaşma 1. Saf elementlerde katılaşmanın aşırı soğumadan sonra sabit bir sıcaklıkta (denge sıcaklığında) gerçekleştiği yukarıda belirtilmişti. Halbuki alaşımlarda katılaşma bir sıcaklık aralığında (T 1 -T 2 ) meydana gelir. Şekil 1.6 da bu durumlar şematik edilmiştir ve sıcaklık Şekil 1.6: (a) Saf elementin, (b) Alaşımın katılaşması 1. zaman eğrilerine de soğuma eğrileri adı verilir. Alaşımlardaki farklı katılaşma davranışı şöyle izah edilebilir. Yabancı metalin atomları katılaşma esnasında ana metalin oluşan çekirdeklerinden dışarıya atılır. Çünkü aksi takdirde atom boyutu farklılığı dolayısıyla çekirdeğin kristalleri distorsiyona uğrayarak enerji artışına yol açar, bu da serbest enerjinin en ufak değerde kalabilmesi için yabancı atomlar sıvıya itilir ve sıvı yabancı atomlarca zenginleşerek serbest enerjisi daha büyür. Serbest enerji sıcaklık düştükçe azalacağı için belli bir sıcaklık düşümünde yabancı atomca zengin olan bu sıvı fazda katılaşır. Arta kalan sıvı devamlı olarak yabancı atomca zenginleşir ve katılaşma da devamlı olarak bir sıcaklık düşümüyle meydana gelir DÖKME DEMİRLER Dökme demirler, demir alaşımı olmakla beraber özellikleri çok farklıdır ve bunların isimleri bu malzemelerin arzulanan şekillere katı durumda şekillendirmeden farklı olarak 6

7 dökümle getirildiği belirtmektir. %2 den genellikle de %1 den az karbon içeren çeliklerden farklı olarak dökme demirler genel olarak yaklaşık %2-4 C ve %1-3 Si içerirler. Belirli özellikleri kontrol etmek ve değiştirmek için diğer metalik ve metalik olmayan alaşım elementleri ilave edilir. Kimyasal kompozisyonun yanında özellikleri etkileyen diğer önemli faktörler, katılaşma işlemi, katılaşma hızı ve müteakip ısıl işlemlerdir. Mükemmel döküm alaşım özelliği gösteren dökme demirler geniş bir dayanım ve sertlik aralığına sahiptirler ve çoğu durumlarda işlenmeleri kolaydır. Dökme demirler üstün aşınama ve korozyon direnci oluşturmak için alaşımlandırılırlar. Bunların yaygın olarak kullanılmalarının nedeni, öncelikle nispi olarak düşük maliyetleri ve çok yönlü mühendislik özellikleridir. Yeni malzemelerin güçlü rekabetine rağmen, dökme demirlerin binlerce mühendislik uygulamaları için en uygun ve ekonomik malzeme olduğu ispatlanmıştır Dökme Demirlerin sınıflandırılması Dört temel tip dökme demir mikro yapılarındaki karbonun dağılımına göre birbirinden ayrılabilir. Kimyasal kompozisyonları üst üste geldiği için bunlar kimyasal analiz ile ayırt edilemezler. Bu temel metalurjik tipler, gri dökme demir (lamel grafitli dökme demir), beyaz dökme demir, temper dökme demir, küresel grafitli dökme demirdir. Yüksek alaşımlı dökme demirler dökme demirlerin beşinci tipini oluştururlar. Tipik olarak alaşımlandırılmamış dökme demirlerin kimyasal kompozisyonları Tablo2.1 de verilmiş ve yaklaşık olarak karbon ve silisyum şekil 2.1 de gösterilmiştir 2. Tablo 2.1: Bazı dökme demirlerin kimyasal bileşimleri 3 Gri Dökme Demir Dökme demirin kimyasal kompozisyonu gri dökme demir aralığında (Tablo 2.1) ve katılaşma hızı uygun ise sıvı alaşımdaki karbon ayrılır ve katılaşma sırasında ayrı grafit lameller oluşturmak üzere ayrılır. Gri dökme demirler demir alaşımlarının en akışkanıdır ve sonuç olarak karmaşık ve ince kesitli parçalar üretilebilir. Bu dökme demirler iyi aşınma direnci sağlayan sertliklerinde mükemmel işlenebilirliğe sahiptir. Gri dökme demirin kırık yüzey görünüşü gerçek bir gri renge sahiptir ve bu nedenle terim gri dökme demir dir 2. 7

8 Şekil 2.1: Demir alaşımlarında yaklaşık karbon ve silisyum içerik aralıkları 2. Beyaz Dökme Demir Dökme demirin kimyasal kompozisyonu beyaz dökme demir aralığında (Tablo 2.1) ve soğuma hızı yeterince hızlı ise beyaz dökme demir oluşacaktır. Beyaz dökme demirde eriyikteki karbon demirle birleşerek sert, gevrek bileşik olan demir karbür veya sementit olarak kalır. Beyaz dökme demir bu nedenle sert ve kırılgandır ve Beyaz kristal kırılma yüzeyi sergiler. Beyaz dökme demir basma ve mükemmel aşınma direncine sahiptir 2. Temper Dökme Demir Bu dökme demir tipi karbonun çoğu düzensiz şekilli rozetleri biçimindedir. Temper dökme demirin ilk dökümü uygun kompozisyonda beyaz dökme demir olarak yapılır. Daha önce genellikle temperleme olarak adlandırılan tavlama işleminde grafitler çekirdeklenir ve rozetler oluşturmak üzere beyaz dökme demirde karbürlerin parçalanması ile büyür. Temper dökme demirde tavlama ısıl işlemini değiştirmekle çok geniş bir aralıkta özellikler elde edilebilir. Buna karşın ilk olarak beyaz dökme demir oluşturmak için hızlı soğutma gerektiğinden temper dökme demirin kalınlığı sınırlıdır 2. Küresel Grafitli Dökme Demir Küresel grafitli dökme demirin (sünek dökme demir) serbest karbonu lamel yerine küre şeklindedir. Bu nedenle bazen ABD de nodüler dökme demir, İngiltere de ise küresel 8

9 grafitli dökme demir olarak adlandırılır. Bu dökme demirdeki küresel grafit dökümden önce sıvı alaşıma çok küçük miktarda magnezyum ilavesi ile elde edilir. Küresel grafitli dökme demirin kimyasal kompozisyonu gri dökme demire benzer. Ancak, kükürt ve fosfor gibi elementlerin miktarları çok azdır. Küresel grafitli dökme demirler uygun sünekliklerinin yanında iyi bir akma dayanımı aralığına sahiptir ve temper dökme demirin aksine ince ve kalın kesitli büyük bir aralıkta dökülebilirler 2. Yüksek Alaşımlı Dökme Demirler Bu grup dökme demirler, yüksek alaşımlı beyaz dökme demirler, yüksek oranda alaşımlandırılmış küresel grafitli dökme demir ve gri dökme demirleri içerir. Alaşımlı dökme demirler ayrı olarak gruplandırılmıştır. Çünkü bunların aşınma, ısı ve korozyon dirençleri gibi belirli özellikleri alaşımsız ve az alaşımlı diğer dökme demirlerden oldukça farklıdır. Alaşımlı dökme demirler genellikle kimyasal kompozisyonlarıyla tanınırlar ancak bu tanımlamalar mekanik özellikleri de içerebilir Dökme Demirlerde Katılaşma Dökme demirlerin katılaşması esas olarak demir-karbon-silisyum denge sistemine bağlıdır (Şekil 2.2). Ana hatları gösteren basitleştirilmiş olan bu diyagramda (%3.8 C) bileşimindeki bir dökme demirin katılaşması ve soğuması aşağıdaki adımlarla tarif edilebilir: Şekil 2.2: Dökme demirlerde katılaşmanın ve grafit oluşumunun sıcaklık aralığını yakalşık olarak gösteren şematik diyagram 3. a- Sıvı alaşım, [1] noktasında katılaşma başlayıncaya kadar soğur. [1] noktasında katı ostenit dendritleri oluşmaya başlar ve bu olay sıcaklık [2] noktasına düşünceye kadar devam eder. 9

10 b- Ötektik katılaşması, sıcaklık azalması ile [2] noktasındaki bölgeye girildiğinde başlar. Oluşan ötektik katısı (ostenit+sementit) veya (ostenit+grafit) karışımı şeklindedir. Ostenit+sementit durumunda dökme demir beyaz, ostenit+grafit durumunda dökme demir gri dökme demir şeklinde katılaşacaktır. Grafitlerin oluşabilmesi için yavaş soğuma ve silisyum gibi grafitleştirici elementlerin mevcut ve etkin olması gerekir. Sıcaklık [3] noktasına düşünce katılaşma tamamlanır. c- [3] ve [4] noktaları arasındaki soğumada mevcut ostenitten karbon çökelmesi olur. Çünkü katılaşma sonunda %2 C içerebilen ostenit [4] noktasındaki sıcaklıkta yalnız % C eritebilmektedir. Ostenitteki bu fazla karbon beyaz dökme demirde sementit, gri dökme demirde ise grafit halinde çökelir. d- [4] ve [5] noktaları arasındaki soğumada son katı hal değişimi meydana gelir. Ostenit bu sıcaklık aralığındaki oldukça kompleks bir dönüşüme uğrar. En uygun grafitleşme şartlarında yalnız ferrit oluşur. Nispeten zayıf grafitleştirici şartlarda ise ferrit ve perlit veya yalnız perlit oluşur. e- [5] noktasından oda sıcaklığına kadar ki soğuma, dökme demir yapısında çok az bir değişim meydana gelir. Yukarıdaki açıklamalardan anlaşıldığı gibi bir dökme demirin yapısı esas olarak katılaşma esnasında tayin olmaktadır. Oda sıcaklığındaki mikro yapı, dökme demirin geçirdiği bütün katılaşma ve soğuma safhalarını yansıtır. Dökme demirlerin özellikleri tümü tarafından etkilenmektedir 3. Demir-Karbon-Silisyum Sistemleri Dökme demirler yaklaşık %1-3 Si ve de yüksek miktarlarda karbon içerirler. Bu nedenle üçlü (ternary) Fe-C-Si alaşımları olarak düşünülmelidir. Fe-C alaşımlarında silisyum varlığı grafitleştirmeği artırdığı için dökme demirler demir-demir karbür veya demir grafit sistemlerinde veya her ikisinde de katılaşabilir. Yüksek sıcaklıklarda uzun süre bekletme zamanı, yavaş soğutma ve belirli alaşım elementlerinin varlığı grafit çekirdeklerinin oluşumuna yardımcı olur ve bu yüzden yarı kararlı grafit fazına olan değişimi artırır. Diğer taraftan hızlı soğutma ve belirli alaşım elementlerinin varlığı, grafit çekirdeklenmesini önlemekte ve demir-karbür fazının dönüşmeden kalmasına yardım edebilmektedir 2. %2 ve %4 Si ilavesinin demir-karbon faz diyagramını değiştirme etkisi şekil 2.3 de gösterilmiştir. %2-4 Si ilavesi ötektoid karbon içeriğini % e ve aynı zamanda ostenitteki karbon eriyebilirliğini de %1.7 den %1.4 e düşürür. Buna bağlı olarak silisyum ilavesi bu alaşımlardaki perlitin karbon içeriğini düşürmektedir. Dahası Fe-C sistemine silisyum ilaveleri bu alaşımlardaki ötektoid reaksiyonun Fe-C sisteminkinden daha geniş sıcaklık aralıklarında ve daha yüksek sıcaklıklarda oluşmasına neden olur. Sıcaklık aralığı silisyum miktarı artıkça artar 2. Dökme Demirlerde Mikroyapı Dökme demirler mikro yapıya duyarlı alaşımlara örnek teşkil ederler. Bir başka deyimle mekanik özellikleri büyük ölçüde metallografik yapıya bağlı olarak değişir. Dökme demirin yapısal bileşikleri ayrı tipte dökme demirlerin ve değişik şekilli grafitlerin oluşumuna neden olurlar. En önemli yapı ve bileşen ve türleri aşağıda verilmektedir 3 : - Grafit 10

11 Dökme demirlerde karbon bileşik veya serbest halde bulunabilir. Gri dökme demirlerin katılaşmasıyla beraber grafit lamelleri de oluşur ve düşük yoğunlukları nedeniyle toplam hacminin %6 ila %17 sine erişebilirler. Dökme demirde lamelden farklı şekilde de grafitler oluşabilir; örneğin beyaz dökme demirin ısıl işlemi ile temper karbonu veya rozet şekilli grafit agregatları oluşabilir (Şekil 2.4). Dökme demirlerdeki grafit şekil ve boyut dağılımının özellikler üzerinde önemli etkisi vardır. Gri dökme demirlerdeki grafit şekil ve boyut karakteristikleri AFS ve ASTM tarafından kabul edilen standartlarla tarif edilmiştir. Şekil 2.3: %0.2 ve %4 silisyum seviyelerinde demir-karbon-silisyum üçlü alaşım sisteminin dikey kesitleri 3. Gri dökme demirde süneklik özelliğinin olmayışı lamel grafitler nedeniyledir. Temper dökme demir yapısındaki rozet şekilli grafitler veya küresel grafitli dökme demirlerdeki küre şekilli grafitler sünekliğe lamel grafitler kadar kötü etki etmez. 11

12 Şekil 2.4: (a) Gri dökme demir yapısında lamel grafitler, (b) Temper dökme demir yapısındaki rozet şekilli grafit agregataları, (c) Küresel grafitli dökme demir yapısındaki küre şekilli grafitler 3. - Sementit Dökme demirlerde karbon tamamen veya kısmen Fe 3 C (sementit) halinde kimyasal olarak birleşmiş durumda bulunabilir, serbest veya kitle halinde sementit (demir karbür), beyaz ve çil uygulanmış dökme demirlerin katılaşması esnasında oluşur. Sementit çok sert ve kırılgan olup, ana bileşenini teşkil ettiği dökme demir tiplerine de bu özelliğini yansıtır. Serbest halden başka perlit ve ledeburit içinde de bulunur. Karbon dökme demir bileşimindeki %sinin 15 katı mertebesinde Fe 3 C meydana getirebilir. Buna göre %2.5 içeren bir beyaz dökme demirde yaklaşık %37.5 sementit bulunacak ve dolayısıyla çok sert ve kırılgan olacaktır. - Ferrit Oda sıcaklığında kübik hacim merkezli yapıda, demir ile az miktarda karbonun oluşturduğu nispeten yumuşak sünek ve orta derecede mukavemetli bir katı eriyik olarak tarif edilebilir. Dökme demirlerde ferrit bileşimindeki silisyumu içeren fazdır. Silisyum ferriti sertleştirir ve mukavemetini artırır. Silisyum miktarına bağlı olarak ferrit sertliği Brinell, uzaması %20-30 ve mukavemeti kg/cm 2 değerlerinde olabilir. Yapısal açıdan, dökme demirlerde ferrit ya serbest halde veya perlit içinde oluşur. Dökme demirin karbonu serbest olarak oluşabiliyorsa, bileşiminde grafitleştiriciler varsa ve soğuma yavaş ise serbest ferritin oluşma şansı yüksektir. - Perlit Yan yana sıralanmış ferrit ve sementit tabakalarından oluşmuş iki faz karışımıdır. Dökme demirlerde perlit mukavemetli (84 kg/cm 2 civarında çekme mukavemeti), orta sertlikte ( Brinell) ve bir dereceye kadar sünektir. Oluşan perlit miktarı grafitleşme mertebesine bağlıdır. Perlitik gri dökme demir yaklaşık olarak % birleşik karbon içerir. Birleşik karbonun daha düşük % de oluşu ise genellikle serbest ferritin bulunduğuna işaret eder. 12

13 - Steadit Dökme demirlerde, özellikle gri dökme demirde, mevcut fosfor, düşük ergime dereceli ( C) bir demir-demir fosfür ötektiği olan Steadit şeklinde bulunur. Steadit %10.2 fosfor içerir. Fosfor, katılaşmada en son katılaşan bölgelere toplandığından mikro yapıda steadit bölgeleri ekseri hücresel bir görünüme sahiptir. Demir fosfür de demir karbür gibi çok sert ve kırılgandır. - Ostenit Demirin yüksek sıcaklıklardaki allotropik şekli olan kübik yüzey merkezli demir ile karbonun meydana getirdiği, katılaşmada esnasında oluşan ve yavaş soğuma ile perlit veya ikisinin karışımına dönüşen bir katı eriyik olarak tanımlanabilir. Oda sıcaklığındaki mikro yapıda ostenitin bulunuşu, ancak dökme demirin özel olarak osteniti bu sıcaklıkta stabl hale getiren, nikel ile alaşımlandırılması halinde mümkündür. Açıklanan bu bileşimlerden başka dökme demirlerde metalik olamayan enklüzyonlar da bulunabilir. Bunların başlıcaları mevcut kükürtten dolayı manganez ve demir sülfürler, silikatlardır. Düşük ergime dereceli ve faz sınırlarında toplanan demirsülfür, sıcak gevreklik veren zararlı bir empüritedir. Kükürde karşı afinitesi daha fazla olan manganezin oluşturduğu manganez sülfür ise daha çok matriks içinde çok kenarlı geometrik şekiller halinde bulunur, plastiktir yapıya gevreklik vermez. Özet olarak dökme demirlerde çok değişik özelliklere sahip yapısal bileşenler oluşabilmektedir. Ancak göz önünde tutulması gereken husus kimyasal bileşimin tek başına mikro yapıyı tayin edici bir faktör olmadığıdır. Soğuma hızları, katılaşma mekanizması, metalden bazı gazların çıkışı ile dökümhane uygulamasındaki değişkenler, mikro yapıyı ve dolayısıyla özellikleri önemli ölçüde değiştirebilir. Örneğin gri dökme demirlerde grafit tipinin farklı oluşu, ergitme işlemindeki bir çok değişkene bağlı olmaktadır. Küresel grafitli dökme demirlerde grafit şekil boyutu dağılımı ve küresel grafit sayısı, metalin ergitilmesi ve diğer işlemler ile değişiklik gösterir ve bunun sonucunda özellikler de farklı olur. Temper dökme demirlerde, ergitme işlemi ve beyaz dökme demire uygulanan ısıl işlem, özellikleri etkileyen başlıca faktördür. Bütün dökme demirlerde soğuma hızı ve kesit boyutunun etkisi mutlaka mevcuttur. Bütün bu faktörlerin etkisiyle mühendislik uygulamaları için değişik yapı ve özelliklere sahip dökme demirler üretilebilmekte ve bunların her birinin kendine özgü sınırlanmaları ve avantajları bulunmaktadır. Dökülen parça için istenen tipte dökme demiri üretmek dökümcünün teknolojik bilgisine bağlıdır. 13

14 14