DEMİR DEMİR KARBON ALAŞIMLARI

Transkript

1 DEMİR Kimyasal simgesi Fe olan doğada Hematit (Fe 2 O 3 %70 Fe %30 O), Magnetit (Fe 3 O 4 %72 Fe %28 O) Siderit (FeCO 3 %43 Fe %57 CO 3 yada karbonat) ve Pirit (FeS 2 demir sülfür) gibi cevherlerin işlenilmesi suretiyle elde edilen elemente demir denir. Özgül ağırlığı 7.87 gr/cm 3 olan demir, hayatın hemen hemen tüm alanlarında dünya üzerinde en çok kullanılan elementtir. İçerisine katılan özellikle C (Karbon) elementi ile çok çeşitli guruplara ayrılabilir ve isimlendirilebilir. Periyodik cetvelde bulunan çoğu metal ile alaşım yapılabilir ve bunun sonucunda özellikler kazandırılabilir. Ergime sıcaklığı (saf demir için) 1535 C dir. Dünya döküm endüstrisinin (ton ağırlık bakımından) büyük çoğunluğunu demir ve alaşımlarının dökümcülüğü oluşturmaktadır. Demir ve alaşımlarının dökümcülüğü ülkemizde de yaygın olarak yapılmakta ve hatta Avrupa ülkeleri arasında önemli bir paya sahiptir. Demir alaşımları dökümcülüğünün bir çok avantajlı yönü bulunmaktadır. Bulardan bazıları aşağıda verilmiştir. Alaşımı oluşturan (demir, karbon, silisyum, vb) bileşenler bol ve ekonomiktir. Döküm işlemi demir dışı metal ve alaşımlarına kıyasla çok daha yaygındır. Sert ve aşınmaya karşı dayanımı yüksektir. Talaşlı imalata (makine imalatı olan tornalama, frezeleme, gibi) uygun ve işçiliği kolaydır. Korozyona dayanımları (özellikle alaşım elementi ilavesi yapıldığında) iyidir. Kullanım alanı ve isteğe uygunluk bakımından çok sayıda çeşidi bulunmaktadır. DEMİR KARBON ALAŞIMLARI Bu alaşımlarda temel eleman olan demir saf halde çok yumuşak ve düşük mukavemetlidir. İçine katılan karbon oranı arttıkça sertlik ve mukavemet artar, ancak süneklik ve tokluk azalır. Çelik ve dökme demirler bu gruba girerler. Sertlik ve mukavemetlerinin yanında elastisite modülünün yüksek oluşu diğer metallere göre ayrı bir üstünlük sağlar. Bu nedenle bu alaşımlar yapı ve makine malzemesi olarak kullanılmaya en uygun metallerdir.

2 Demirin kafes sistemi Poliformik (allotropik) özelliğe sahip olan saf demirin katı halde üç değişik kafes yapısı vardır. Bunlar; BK (Basit kübik yapı) YMK (Yüzey merkezli kübik yapı) HMK (Hacim merkezli kübik yapı) Demir-Karbon Sistemi HMK demir (ferrit) yumuşak ve düşük mukavemetlidir. Ferrit ile ara yer katı eriyiği oluşturan karbonun ferritte erime oranı oda sıcaklığında çok sınırlı olup en fazla % 0,025 tir. Demirde mevcut karbonun fazlası sementit (Fe 3 C) denen demir karbür bileşiğini oluşturur. Demir karbon sistemi diyagramı stabil veya metastabil sistemlerde olabilir. Stabil sistem de karbon grafit olarak oluşurken, metastabil sistemde ise karbon Fe 3 C (sementit) bileşiği halindedir.

3 a) Stabil Sistem (Fe-C yada grafit Diyagramı): Alaşımdaki karbon miktarının çoğu yapı içerisinde grafit şeklindedir.

4 Bu iç yapı yavaş soğutma ile elde edilir. Silisyum miktarı içyapının ferrit+grafit şeklinde olmasını kolaylaştırır. Bu tip yapı stabil sistem yada stabil katılaşma olarak adlandırılır. b) Metastabil sistem (Fe-Fe 3 C diyagramı): Alaşımın ihtiva ettiği bütün karbon miktarı, kimyasal olarak demir karbür şeklinde bağlanmıştır ve sementit şeklinde yapıda yer alır. Bu içyapı hızlı soğutma ile oluşur ve manganez oranı ile oluşumu kolaylaşır. Sementit kristali yüksek sıcaklıkta parçalanmış ferrit ve grafit taneciklerine (temper grafiti) dönüşebileceği için bu tip katılaşmaya metastasbil (kararsız dengeli) sistem denir. Demir karbon alaşımları bu sebepten ötürü birbirinden farklı eğrilere sahip iki ayrı denge diyagramından oluşur. Aralarındaki fark çok düşük olduğundan, genellikle her ikisi de aynı diyagram üzerinde gösterilir. % 6,67 karbon içeren sementit ortorombik kristal yapıya sahiptir. Çok sert ve gevrek olan bu faz çeliklerin yüksek mukavemetli oluşunda ana etkendir C nin üzerinde var olan östenitin YMK kafesinde karbonun erime oranı daha yüksek olup en fazla % 2 dir. Karbonun fazlası östenitin yanında demir karbür oluşturur.

5 Demir Karbon İkilisinde Oluşan Fazlar Ferrit Demir oda sıcaklığında HMK kafes yapılı α-kk (karma kristallerine) Ferrit denilir. Sementit Fe 3 C kimyasal bileşiğidir. % 93,33 ferrit ve % 6,67 karbondan oluşan bir bileşiktir. Özgül ağırlığı düşük, sert, kırılgan, 215 C sıcaklıkta mıknatıslanma özelliğini kaybeder. Biçimlendirilme özelliği olmayan, çeliğe dayanım ve sertlik veren bir yapıdır. Perlit %0,8 karbon içeren alaşım soğutulunca C de östenit yapı ferrit ve sementite dönüşür. Bu iki faz ince ve sık tabakalar (lamellar) halinde oluşur. Kırıldığı zaman inciyi (pearl) andıran görünüşü sebebiyle perlit adını alır. % 87 ferrit ve % 13 sementitin yaptığı bir ötektoiddir.

6 Östenit YMK kafes yapılı γ karma kristallerine verilen bir isimdir. Sıcaklık yükselmesi ile karbon eritkenliği artarak % 1,7 ye kadar yükselir. Martenzit HSP kafes yapılı östenitin çözemeyeceği kadar C içeren ve Fe ile C un bileşiği olan demir karbür (FeC) + Ferit fazlarının karışımından meydana gelen yapıya verilen bir isimdir. Dökümden sonra içerisindeki alaşım elementlerine de bağlı olarak normal soğuma şartlarında kısmen, diğer yandan yüksek soğuma hızları (su verme gibi) uygulandığında görülen bir yapıdır. Genellikle soğuma şartları ve bileşime bağlı olarak C sıcaklık aralığında oluşur.

7 Ledeburit Sementit ile östenitin yapmış olduğu bir ötektir. Ötektik sıcaklık altında östenit ve sementitten meydana gelmiş olmakla beraber sıcaklık düştükçe östenit dönüşüme uğrayarak sementit oluşturur ve 723 C altında östenit bulunamayacağından yapı tamamen sementit ile perlite dönüşür. Ledeburit yüksek sıcaklıklarda östenit ile sementitin, oda sıcaklığında ise perlit ile sementitin meydana getirdiği bir yapıdır. Steadit C aralığında oluşan demirfosfür ötektiğidir. Çok sert ve kırılgan bir yapıdır. Fosfor yönünden zengin dökme demir alaşımlarında yapı içinde kalan gaz kabarcıklarının boşlukları çok sert ve ergime sıcaklığı düşük olan steadit (demirfosfür ötektiği) ile dolar. Yapı içindeki bu sert tanecikler işlenmeyi zorlaştırır. Döküm başlangıcında (düşük döküm sıcaklığında) sıçrayarak katılaşan küçük metal damlacıkları, sonradan metal ile kaplandıkları halde yüzeyleri oksitlenmiş olacağından tam kaynaşmazlar ve sırça olarak adlandırılırlar. Bu tanecikler ince cidarlarda sızdırmazlık için tehlikeli olabilirler.

8 Demir Alaşımlarının Sınıflandırılması Demir alaşımları içerisine ilave edilen karbon miktarına bağlı olarak iki sınıfa ayrılabilir; 1. Çelikler 2. Dökme demirler 1. ÇELİKLER İçerisinde % C (yada kimi kaynaklarda % 2 ye kadar) ve % Si bulunan sıcak veya soğuk olarak biçimlendirilebilen demir (yada demir-karbon) alaşımlarına çelik (TS 1111) denilmektedir. Çelik ve çelik dökümcülüğü ülkemiz ve dünyada üstün özellikleri nedeniyle büyük önem taşımaktadır. Çelikler diğer demir alaşımlarına (dökme demir) kıyasla daha iyi mekanik özelliklere sahip olmaları tercih edilmelerine sebep olmaktadır. Çelik malzemeler hem döküm hem de mekanik işlemlerle şekillendirilebilmektedir. A) Çelikler imal usullerine göre 2 çeşittir. Bunlar; a) Dökme çelikler b) Dövme (hadde yada mekanik işlemle şekillendirme) çelikleri B) Çelikler bileşimlerine göre 2 çeşittir. Bunlar; a) Alaşımsız (sade karbonlu) çelikler: Sadece demir ve karbon bulunur. 1) Düşük karbonlu çelikler 2) Orta karbonlu çelikler 3) Yüksek karbonlu çelikler yada bu çelikler Ötektoid altı ve ötektoid üstü çelikler diye iki guruba ayrılabilir. b) Alaşımlı çelikler: Demir ve karbonun yanında ayrıca Mn, Cr, Ni, Si, Mo, Ti, W, V, B, vb. gibi diğer alaşım elemanları da bulunur.

9 Dökme Çelikler Dökme çelik ifadesi döküm yoluyla şekillendirilen çelik anlamına gelmektedir. Dökme çelik ürünleri ulaştırma, ziraat, inşaat, haberleşme, motorlu araçlar, makine sanayi vb. çok geniş bir uygulama alanında vazgeçilmez unsur teşkil etmektedir. İmalâtın olduğu her yerde dökme çelik imalâtına da ihtiyaç vardır. Bunun nedenleri şöyle sıralanabilir: a. Çeliklerin ergime sıcaklığı yüksek olduğundan ( C) güçlü ergitme ocakları (endüksiyon, ark ocakları ) ve yüksek sıcaklığa dayanıklı kalıp malzemeleri gerektirir. Bazı durumlarda kalıp kumu parça yüzeyine yapıştığından, iyi bir yüzey kalitesi elde etmek için parçanın tümüyle işlenmesi gerekebilir. b. Metalürjik temizlik (dokusu ve mikro yapısı) dökme demirlerden daha önemli olup kimyasal bileşimin de daha dar sınırlar içinde kontrol edilmesi gereklidir. c. Döküm sonrasında malzeme kaba taneli (widmanstatten) iç yapısına sahip olup yeterli tokluk elde edebilmek için ek bir ısıl işlem yapılması zorunludur. d. Çeliğin akıcılığı ve kalıbı doldurma kabiliyeti düşüktür. Kendini çekme % 2-3 gibi yüksek seviyelerde olduğundan, çekme boşluklarının oluşmaması için özel tedbirler almak gerekir (Besleyici ve soğutucu konmalı.). Dökme çeliklerin tercih edilmesinin nedenleri: a. Dökme demirlerin dayanım ile süneklik özelliklerinin yetersiz kaldığı, b. Parçaların döküm yöntemiyle üretiminin daha ekonomik olduğu (çok büyük parçalar ve karmaşık biçimler), c. Dökülen parçanın kaynakla birleştirilmesinin gerekli olduğu, d. Seçilen çeliğin plastik şekil vermeye uygun olmadığı durumlarda tercih edilir. NOT: Daha sonraki bölülmede çelik dökümcülüğü ile ilgili ayrıntılı bilgiler verilecektir. 1.Düşük Karbonlu Çelikler Bu çelikler, % 0,25 oranına kadar karbon içerirler ve çok yumuşak ve yumuşak çelikler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. a. Çok Yumuşak Çelikler: % 0,07 ile % 0,15 arasında karbon içerirler ve soğuk şekillendirmeye elverişlidirler b. Yumuşak Çelikler: % 0,15 ile % 0,25 oranında karbon içerirler Çok yaygın olarak kullanılan alaşımsız çeliklerdir.çok iyi kaynak edilebilirler ancak su verme yöntemiyle iyi sertleştirilemezler. 2.Orta Karbonlu Çelikler Bu çelikler, % 0,25 ile % 0,55 oranları arasında karbon içerirler. Isıl işlem için çok uygun çeliklerdir. Yani, bu çeliklerin yapı ve özellikleri ısıl işlemle büyük ölçüde

10 değiştirilebilir. Bu çelikler, karbon oranlarına göre genel dövme çelikleri, mil çelikleri ve aşınmaya dayanıklı çelikler olmak üzere üç gruba ayrılır a. Genel Dövme Çelikleri: % 0,25 ile % 0,35 arasında karbon içerirler. b. Mil Çelikleri: % 0,35 ile % 0,45 oranları arasında karbon içerirler. Mil, tel ve dingil yapımında kullanılırlar c. Aşınmaya Dayanıklı Çelikler: % 0,45 ile % 0,55 arasında karbon içerirler. Ray, ray tekerleği, silindir ve pres kalıplarının yapımında kullanılırlar. 3.Yüksek Karbonlu Çelikler % 0,55 ile % 0,9 arasında karbon içerirler. Yüksek mukavemet ve aşınma direnci gerektiren yerlerde kullanılırlar. Kullanım alanına örnek olarak, pres kalıp blokları gösterilebilir. 4.Yüksek Karbonlu Takım Çelikleri Bu çelikler % 0,9 ile % 1,6 oranları arasında karbon içerirler. Yüksek aşınma direnci ve yüksek mukavemet gerektiren yerlerde kullanılırlar. Kullanım yerlerine örnek olarak torna kalemi ve matkap uçları verilebilir. Ötektoid Noktaya Göre Çelikler Ötektoid dönüşüm çeliklerde büyük öneme sahiptir. Özellikle ısıl işlem uygulanan sade karbonlu çeliklerde iki guruba ayrılırlar. a) Ötektoid altı çelikler % 0,8 den az karbon içeren alaşımlara ötektoid altı çelikler denir. Bu alaşımlar sogurken önce östenit katı eriyigi oluşur. Daha sonra ostenitten ferrit fazı ayrışır, 723 C a gelince geriye kalan YMK ostenit %0,8 karbon içerdiğinden yine sık tabakalar halinde tane sınırlarında ferrit ve sementit içeren perlite dönüşür.

11 b) Ötektoid üstü çelikler %0,8 den fazla karbon içeren alaşımlara ötektoid üstü çelikler denir. Bu alaşımlarda, östenit katı eriyiği oluşumundan sonra soğutulursa şu dönüşümler meydana gelir. Sıcaklık düşünce karbonca doymuş hale gelen östenit tanelerinin çevresinde ağ şeklinde demir karbür fazı çökelmeye başlar. 723 C a gelince geriye kalan östenit perlite dönüşür. Sonuçta perlit bölgeleri sementit yapılı bir kabukla çevrilmiş olur. Böylece malzeme gevrekleşerek kullanılamayacak hale gelir. Bu kabuk şekilli sementit oluşumu ısıl işlemler ile önlenebilir. Çeliklerin Kimyasal Bileşim Esas Alınarak Sınıflandırılması 1.Alaşımsız Çelikler C harfi ve ortalama yüzde karbon oranının yüz katı ile gösterilirler. Örneğin, bileşiminde % 0,35 karbon bulunan alaşımsız ve sakinleştirilmiş oksijen konverter çeliği: OS C 35 şeklinde gösterilir. Ortalama karbon oranı % 0,45 olan alışımsız çelik C 45 şeklinde gösterilir. Karbon (C) işaretinden sonra gelen küçük harfler ise alaşımsız çeliğin türünü gösterir.

12 Örneğin; ortalama karbon oranı % 0,45 olan alaşımsız asal çelik Ck 45 şeklinde, % 0,53 oranında kabon içeren ve yüzeyi sertleştirilebilen alaşımsız çelik ise Cf 53 şeklinde gösterilir. 2.Alaşımlı Çelikler Alaşımlı çelikler alaşım miktarına göre veya esas alaşım elementine göre sınıflandırılabilir. 2. DÖKME DEMİRLER Dökme demir ismi genel bir isim olup özellikleri çok farklı demir alaşımlarını ifade etmektedir. İçerisinde % 2-4 C ve % Si bulunan demir alaşımlarına dökme demir denilmektedir. Bileşiminde sadece C ve Si elementleri bulunmamakta, bunun yanında Mn, Cu, Al, Ni, Ti, Mo, Cr, gibi elementlerde ilave edilmektedir. Ancak çeliklerde olduğu gibi sadece içerisindeki alaşım elementlerine göre sınıflandırılmamaktadır. C ve Si miktarlarının az veya çok olmasına bağlı olarak farklı isimlerle anılırlar. Alaşım elementlerinin yanı sıra soğuma hızına bağlı olarak farklı yapılarda ve isimlerde dökme demirler bulunmaktadır. C miktarı ötektik bileşime doğru artarken ergime sıcaklıkları azalırken, daha yüksek C içeren dökme demirlerin ergime sıcaklıkları artmaktadır. Dökme demirler genellikle yapısında oluşan serbest karbonun (grafit) şekli yada bileşik olmasına göre sınıflandırılmaktadır. a) Beyaz dökme demir b) Gri dökme demir

13 1) Lamel grafitli dökme demir 2) Vermiküler grafitli dökme demir 3) Kopmak (kısmen bozunmuş küresel) grafitli dökme demir 4) Küresel grafitli dökme demir c) Temper dökme demir 1) Siyah temper dökme demir 1) Beyaz temper dökme demir d) Östenitik dökme demir e) Özel dökme demirler 1) Benekli dökme demir 2) Hızlı soğutulmuş dökme demir 3) Az alaşımlı dökme demir 4) Yüksek alaşımlı dökme demir 5) Ni-resist dökme demir Beyaz Dökme Demir %2ğ3.5 arasında karbon ve %2 den az Si içeren demir karbon alaşımı hızlı soğursa ana faz demir karbür içinde dağılmış perlit adacıklarından oluşan bir yapı (Ledeburit) elde edilir. Kırıldığı zaman beyaz görünen bu metale beyaz dökme demir denir. Gri Dökme Demir Genellikle % 2-4 karbon ve % 1-3 Si içeren demir karbon alaşımları kum kalıba dökülürse soğuma yavaş olur, kararsız Fe 3 C bileşiği ferrit ve grafite ayrışır. Ayrışma kısmen olursa iç yapıda perlit görülür. Ayrışma tam olursa yalnız ferrit yada perlit ile grafitten (serbest karbon) meydana gelir. Kırıldığı zaman gri renkli görüldüğünden bu metale gri dökme demir denir.

14 a) Lamel Grafitli Dökme Demir Gri dökme demirin bir çeşididir. İçerisinde oluşan lamel yada çizgi (yaprak) şeklindeki grafitlerden dolayı bu isimle anılmaktadır. b) Küresel Grafitli Dökme Demir Gri dökme demirin bir çeşididir. İçerisinde oluşan küre şeklindeki grafitlerden dolayı bu isimle anılmaktadır.

15 c) Vermiküler (Compact) Grafitli Dökme Demir Gri dökme demirin bir çeşididir. İçerisinde oluşan kısmen kısalmış ve küreleşmeye başlamış yada bozulmaya başlamış küreler şeklindeki grafitlerden dolayı bu isimle anılmaktadır. Temper (Malleable) Dökme Demir

16 Döküm işlemi ile üretilemezler. Önce beyaz dökme demir üretilir. Beyaz dökme demir 800ğ900 C sıcaklıkta koruyucu atmosfer ortamında uzunca sure bekletildiğinde sementit bozunarak yavaş soğutulursa (nötr ortamda) ferrit (Beyaz Temper) yada hızlı soğutulursa (oksitleyici ortamda) perlit (Siyah Temper) oluşur ve bunları aralarında rozet yada pul şeklinde grafitler meydana geldiğinde bu dökme demire Temper Dökme Demir, oluşan bu grafite ise Temper Grafit denir. Özellikle Küresel grafitli dökme demir malzemelerinin imalatının yaygınlaşması ile kullanımı azalmıştır. Ancak özellikle bazı dişli parçalarının üretimi ve yüksek gerilim hat parçalarının (fittings) imalatında tercih edilmektedir. DEMİR-KARBON ALAŞIMLARININ ÜRETİLMESİ Ham Demir (Pik); yüksek fırında üretilen ve henüz hiçbir işlem yapılmamış demirdir. Dogrudan dogruya pek nadir hallerde döküm yapılır (örneğin: yalnız ağırlık için). Dökme Demir, pik demirinin kupol fırınlarında (ocaklarında) yeniden ergitilmesi ve temizlenmesi ile elde edilir. Çelik; pik demirin çelik fırınlarında işleme tabii tutulması ile elde edilir.