TEMPER DÖKME DEMİRLER Malleable Cast Iron
Dökme demirin akıcılığının iyi olduğunu ve bu nedenle birçok makine parçasının döküm yolu ile elde edildiğini biliyoruz. Dökme demirin bileşimindeki karbonun fazla olması dökme demirin, normal sıcaklıkta veya yüksek sıcaklıkta bile kırılgan olmasına sebep olmaktadır. Dövülmeye elverişli olmaması, esnememesi ve çok kırılgan olması dökme demirin en sakıncalı yönleridir.
Dökme demirlerin özellikle gri dökme demirin bileşimindeki karbonun büyük bir kısmı, lamel (yaprakçık) grafit halindedir. Bu grafit yaprakçıkları doku içinde boş bir hacim oluşturur. Böylece darbe ve zorlamaların etkisiyle oluşan iç gerilmeler, kolayca bütün kütleye dağılmaktadır. Bu nedenle de dökme demir kırılgan olmaktadır. Ayrıca döküm parçalar, ölçüleri küçüldükçe ve kesitleri inceldikçe, dökümden sonra hızlı soğumadan dolayı sert, kırılgan olmakta ve makine işçilikleri zorlaşmaktadır. Bu şekildeki parçaların demirden dövülerek şekillendirilmesi veya çelik döküm yolu ile elde edilmesi çok masraflı olmakta, bazı hallerde yapımları bu yollarla bile mümkün olmamaktadır.
Uzun çalışmalardan sonra, her kalıba kolayca dökülebilen ve beyaz dökme demirden yapılan parçalara ısıl işlem uygulayarak Temper Dökme Demir elde edilmiştir. Isıl işlem yolu ile beyaz dökme demirin içindeki karbon, rozet gurupları haline getirilmektedir. Ayrıca, oksitleyici bir ortam yardımı ile yüzeydeki karbon da kısmen indirgenmektedir. Temper dökme demir, yapımında kullanılan gerecin beyaz dökme demir olması zorunludur
White Cast Iron Malleabilize To Increase Ductility Malleable Cast Iron Fe C (WCI) Graphite Temper Nodules (Malleable Iron) 48hrs 3 2 stage heat treatment
Beyaz dökme demirde karbon, perlit ve sementit (Fe3C) halindedir. Beyaz dökme demir, uygun sıcaklıklara kadar ısıtılarak yapısında bulunan sementit ve perlit parçalanır. Böylece serbest kalan karbon, çok yavaş soğuma hızı ile rozet gurubu haline geçer. Buna Temper Karbonu adı verilir
Stage I (940-960) C (Ötektoid sıcaklığının üzeri) Sementitin tamamının Grafite dönüşümü A: (Ferrite + Pearlite + Martensite) ( + Cementite) B: /Cementite arayüzeyinde grafit çekirdeklenmesi (çekirdekleşme hızı artar C, Si) (Si içinde C çözünürlülüğünü azaltır Grafitin büyümesi için itici güç) C: Sementitin ayrışması C büyüyen grafit plakalarına katılır Sementit ve Grafit arasındaki mesafe mesafe zaman (sıvıdan daha hızlı soğuma elde edilir) Grafitleşme zamanı in Stage I İlave alaşım elementleri temper grafitlerinin çekirdeklenme hızını arttırır Si t
Stage II (720-730) C (Ötektoid sıcaklığının altında) I. Kademede grafitleşme tamamlandıktan sonra Daha fazla grafitleşme Slow cool to the lower temperature such that does not form Cementite C diffuses through to Graphite temper nodules (called Ferritizing Anneal) Full Anneal in Ferrite + Graphite two phase region Partial Anneal (Insufficient time in Stage II Graphitization) Ferrite is partial and the remaining transforms to Pearlite Pearlite + Ferrite + Graphite If quench after Stage I Martensite (+ Retained Austenite(RA)) (Graphite temper nodules are present in a matrix of Martensite and RA)
Yapısında bir miktar grafit bulunan dökme demir, ısıl işlem uygulansa bile, temper dökme demir haline getirilemez. Çünkü grafitler şekil değiştirmez. Bu nedenle temper dökme demirin yapısında mutlaka beyaz dökme demir kullanılmalıdır. Temper dökme demir, iki ayrı metotla elde edilmektedir. Birincisi, Avrupa metodudur. Buna Beyaz Temper Dökme Demir denir. TSE ye göre rumuzu BTD dir. İkincisi, Amerikan metodudur. Adı Siyah Temper Dökme Demir dir (Şekil). Rumuzu STD dir. Her iki temper dökme demirin kimyasal bileşimleri pek farklı değildir. Fakat uygulanan temperleme işlemlerinin farklı olması, yapılarının ayrı ayrı oluşmasına sebep olur.
Kimyasal Bileşimi Seçilen kimyasal bileşim, katılaşma anında dokuda serbest grafit oluşumuna izin vermemelidir. Aksi halde oluşacak grafitlerin şekilleri tavlama ile değiştirilemez. Karbon miktarı mümkün olduğu kadar az olmalıdır. Karbon miktarı azaldıkça dekarbürizasyon kolaylaşır ve tavlama işlemi daha iyi netice verir. Temper dökme demirin bileşimindeki elementlerin % değerleri genellikle Tablo da görüldüğü gibidir. Elementi Adı % Miktarı Karbon (C) 2.00 3.00 Silisyum (Si) 1.00 1.80 Manganez (Mn) 0.20 0.50 Fosfor (P) 0.01 0.10 Kükürt (S) 0.02 0.17
Bilindiği gibi silisyum, dökme demirlerin katılaşmasında grafitleşmeyi kolaylaştıran bir elementtir. Aynı zamanda tavlama sırasında sementitin ayrışmasını da çabuklaştırır. Bu nedenle, kimyasal bileşimdeki silisyum miktarı bu iki sakıncayı ortadan kaldıracak miktarda olmalıdır. Manganez, ısıl işlem anında sementitin parçalanmasına mani olur. Manganez miktarı genellikle % 0.40 civarında tutulmalıdır. Bileşimde fazla kükürt, karbürlerin parçalanmasını önleyerek tavlama zamanını arttırır. Bileşimde yüksek fosfor, kırılganlığın artmasına sebep olur. Genellikle fosfor miktarı % 0.20 nin altında tutulur. Daha iyi beyaz temper dökme demir elde etmek için, alaşıma % 0.03 kadar krom katılması önerilir. Ayrıca alaşıma katılan % 1. 50 oranındaki bakır, tavlama sırasında zamanı % 20 50 azaltır ve temper dökme demirin fiziksel özelliklerini arttırır.
TEMPER DÖKME DEMİR ÜRETİMİ Önce beyaz dökme demir elde edilir. Daha sonra ısıl işlem yapılır. Temperleme fırınları kamaralı ve tünel şeklindedir. Isı tasarrufu bakımından tünel şeklinde yapılan fırınlar her zaman tercih edilir. Tünel şeklindeki fırınlar seri çalışır. Büyük işletmeler için en uygun fırın tipi budur
Temperleşecek döküm parçalar, dökme demir, çelik döküm, krom nikelli veya çelik sacdan yapılan kasalar içinde tav fırınlarına yerleştirilir. Kasalar içine konan döküm parçaların aynı kesitlerde olması gerekir. Tavlama sıcaklığı parçaların kesitlerine göre ayarlanır. Çelik dökümden yapılan kasalar 120, dökme demirden yapılan kasalar ise 20 defa kullanılabilir. Temperleşecek parçalar kasalara konulduktan sonra arabalar ile veya fırın tavanı açılarak fırına yerleştirilir.
Temper dökme demir oluşumunun esası katı-katı diffüzyonuna dayanır. Metastabil sementit, ısıl işlem sonucu grafite parçalanır. Sonuç ürün, ferritik-perlitik veya martensitik matrix içersindeki temper grafitlerinden oluşur. Uygulanan sıcaklık ve tutma sürelerine göre 2 çeşit temper grafitli dökme demir vardır.
Siyah Temper Dökme Demir (DDTS) Beyaz dökme demir, nötr bir ortamda tavlandığında siyah temper dökme demire dönüşür. Tavlanacak döküm parçalar, kuru silis kumu ile beraber kasalara yerleştirilir. Parçaların kasalara yerleştirilmeleri düzenli yapılmalıdır. Kasanın hava alabilecek olan yerleri çamur haline getirilmiş şamut ile dikkatlice kapatılır, sonra kasalar fırına yerleştirilir. Temperleme işleminde zaman, döküm parçaların kesit kalınlığına ve uygulama metoduna göre 2 6 gün arasında değişir. Isıl işlemin yöntemine göre ferritik veya perlitik yapı gösterir. Şekildeki diyagramda temper ısıl işlem kademelerini inceleyelim.
Birinci Aşama-ISITMA Temperleme Isıl işleminde sağlanacak başarı, bu kademelere bağlıdır. Bu işlem sırasında grafit çekirdekleri oluşur. İyi bir temper döküm işlemi için yeteri kadar grafit kümelerinin (çekirdeklerinin) oluşması gerekir. Bu işlemde tavlama 10 20 saat sürer. Sıcaklık 720 C- 760 C ye gelince, dokudaki perlit yavaş yavaş austenite dönüşür. Sıcaklık arttıkça austenit içinde eriyen karbon miktarı artar. Sıcaklık 950 C ye gelince yapı, karbona doymuş austenit, çözülmemiş sementit ve grafit çekirdeklerinden oluşur. Grafit kümelerinin oluşmasını etkileyen faktörler aşağıdaki gibidir(1.kademe).
Hızlı ısıtma grafit kümelerini azaltır. İnce kesitlerde fazla grafit kümeleri oluşur. İyi ayarlanmış bir kimyasal bileşim grafit kümelerini arttırır. Ergitmenin oksitleyici ortamda yapılması, grafit kümelerinin oluşumunu engeller. Ergimiş metale potada katılan % 0.001-0.003 brom veya % 0.02 0.05 alüminyum, grafit kümelerini arttırır.
İkinci Aşama-BEKLETME Bu kademede parçalar 950 C sıcaklıkta 1-2 gün tutulur. Birinci grafitleşme olayı "Çözülme ve çökelme" yolu ile oluşur. Sonrada karbon grafit kümeciklerine doğru yayılır ve orada grafit halinde çökelir. Böylece oluşan bu karbon "TEMPER KARBONU" dur. Temper karbonunun büyümesi, austenit içindeki karbonun çökelmesinin sona ermesine kadar devam eder
Üçüncü Aşama-SOĞUTMA Parçalar önce fırında sonra da havada yavaş yavaş soğutulur. Zaman 1 3 gün arasında değişir. İkinci grafitleşme olayı bu sırada oluşur. Parçalar 790 C ile 720 C arasında yavaş yavaş soğutulur. Soğutma hızının austenitin ferritte dönüşmesini ve karbonun grafit halinde çökelmesini sağlayacak şekilde yavaş olması gerekir. Hızlı soğutma perlit yapıyı oluşturur. Soğuma hızı 50C/saat arasında değişir. Yavaş soğutmaya 650 C ye kadar devam edilir. Bundan sonra parçalar açık havada soğutmaya bırakılır
Siyah Temper Dökme Demirin Özellikleri Siyah temper dökme demirin makine işçiliği iyidir. Korozyona dayanımı çinko, kadmiyum, alüminyum ve kurşun ile kaplanarak arttırılır. Aşınma direnci iyidir. Gri dökme demire göre daha az olmakla beraber, oldukça iyi titreşim söndürme özelliği vardır. Siyah temper dökme demirlere kaynak yapılamaz. Çünkü kaynak yerleri çok gevrek olur ve kırılır. Tablo 1.1 de siyah temper dökme demirin rumuzları ve mekaniksel özellikleri verilmiştir.
Temper dökme demirin gösterilişi STD 35 STD 45 STD 65 STD 70 Deney örneğinin çapı (mm) 12-15 12-15 12-15 12-15 Çekme dayanımı (Kg/mm 2 ) (min) 35 45 65 70 Kopma uzaması (Lo=3d) % (min) 12 7 5 2 Brinell sertlik değeri (Kg/mm 2 ) 150 ye kadar 160-200 200-220 220-270 Yüksek işlenebilme özelliğinden dolayı siyah temper dökme demir otomobil sanayinde, boru ve fitinglerde, elektrik yalıtkanlarının tepe kaplarında ve değişik mühendislik malzemelerinde başta olmak üzere geniş kullanım alanı vardır.
Beyaz Temper Dökme Demir (DDTB) Beyaz temper dökme demir siyah temper dökme demire nazaran yüksek karbon ve düşük silis ihtiva eder. Oksitleyici bir ortamda ve karbonun indirgenmesi ile 980 1050 C arasında, tavlanacak malzemeler hematit filizine ( Fe 2 O 3 ) veya tufal (Fe 2 O) e gömülü halde tav fırınlarında tavlanır. Et kalınlığına bağlı olarak, 3 6 gün arası tavlanan bu malzemelerinde, yüzeydeki karbonsuz bölgeden iç taraflardaki rozet grafit topaklarına kadar değişik mikro yapı özellikleri gösteren ve karbonun kompozisyonunda belirgin değişimler oluşan yapıda, mangan ve sülfür elementlerinin etkileri oldukça belirleyicidir.
Sülfür miktarının % 0.3 e kadar artabileceği ve mangan tarafından nötrleştirilmeyen sülfürün kalın kesitlerde perlitik yapıya yol açtığı gözlenmektedir. Bu durum işlenebilme özelliğini olumsuz yönde etkiler. İnce kesitlerde tamamen dekarbürize olan malzeme, ferritik bir yapıya sahiptir. Düşük sülfür miktarlarında, manganla nötralize (etkisizleştirilmiş) olan sülfür, ferritik veya ferritik- perlitik karışımlı bir yapıya yol açar.
Dekarbürizasyon Siyah temper döküm için uygulanan yumuşatma işlemleri, beyaz temper dökme demir için de aynen uygulanır. Yüksek sıcaklıkta hematit filizinin serbest kalan oksijeni (O 2 ) döküm parçanın karbonunu oksitleyerek redükler. Böylece döküm parçaların dış yüzeylerinden başlayarak, merkezine doğru karbon azalması görülür. Yapı esas biçimini kaybeder. Dış yüzeylerde karbonun tamamen yanması nedeniyle yapı ferritik olur. Bu kısımlarda temper karbonu kalmamıştır. İç kısımlara doğru karbon temper karbonu halinde ferit-perlit yapısı içinde dağılır.
Dekarbürleşme, önce hematit filizinin oksijeni ile döküm parçaların karbonunun, 1) C + O 2 şeklinde dış yüzeylerde yakılması ile başlar. Yüksek sıcaklıkta yapıdaki atomlar arasındaki bağ kuvvetinin zayıflaması sonunda 1 numaralı reaksiyon sonucu oluşan karbondioksit (CO 2 ) gazı, yapı içinde yayılır ve demir karbürün (Fe 3 C) karbonu,
1) C + O 2 2) Fe 3 C + CO 2 = 3Fe + 2CO şeklinde okside eder. Bu sırada ısının etkisiyle, karbürlerin parçalanması sonucu açığa çıkan temper karbonu, yapıya etki etmiş olan karbondioksit (CO 2 ) ile 3) C + CO 2 = 2 CO şeklinde reaksiyona girer. Daha sonra 2 ve 3 numaralı reaksiyonlara göre oluşan karbon monoksit (CO) gazı, temper filizinin demir oksitleri ile reaksiyon yapar.
4) Fe 2 O3 + CO = 2FeO + CO 2 5) FeO + CO = Fe + CO 2 4 ve 5 numaralı denklemlerin sonucunda çıkan karbon dioksit (CO 2 ) gazı, demir karbürün (Fe 3 C) karbonu ile temper karbonu tekrar 2 ve 3 numaralı denklemlerdeki gibi oksitler. Bütün bu reaksiyonlar, yumuşatma tavı süresince devam eder. Dekarbürleşme zamanı, döküm parçaların kesit kalınlıklarına göre değişir.
Yukarıda görüldüğü gibi dekarbürleşme, oksijen (O 2 ) karbondioksit (CO 2 ), karbonmonoksit (CO) ve döküm parçanın karbonu (C) arasında oluşan reaksiyonların sonucunda oluşmaktadır. O halde oksijen, karbondioksit ve karbonmonoksit gazlarının belirli oranlarda ve bu oranları muhafaza ederek verilmesi ile dekarbürleşme sağlanabilir. Gaz karışımı ile yapılan dekarbürleşmenin, hematit filizi ile yapılan dekarbürleşmeye göre; temizlik, işçilik tasarrufu, iyi kontrol, küçük çalışma alanı ve kısa tav zamanı gibi metalurjik ve ekonomik avantajları vardır.
Beyaz Temper Dökme Demirin Özellikleri Beyaz temper dökme demirden yapılan parçalara, güç de olsa kaynak yapılabilir. İnce kesitli parçalar lehimlenebilir. Makine işçiliği, siyah temper dökme demire göre daha iyidir. Aşınma direnci azdır. Tablo da beyaz temper dökme demirin rumuzları ve mekaniksel özellikleri verilmiştir.
Temper dökme demirin gösterilişi Deney örneğinin çapı (mm) Çekme dayanımı Kg/mm2 (min) Kopma uzaması L=3d % (min) Brinell Sertliği Kg/mm2 BTD-35 9 12 15 34 35 36 6 4 3 200 BTD-40 9 12 15 36 40 42 10 5 3 210 BTD-45 9 12 15 42 45 48 12 7 5 220 BTD-55 9 12 15 52 55 61 7 5 2 240 BTD-65 9 12 15 62 65 67 4 3 2 270 BTD-K38 9 12 15 32 38 40 15 12 8 200
Temper Dökme Demirlerin Tercih Edilmesi Temper dökümler ve küresel grafitli dökme demirler genellikle aynı uygulama alanları için üretilirler. Aralarındaki seçimlerde özelliklerinden çok üretim maliyetleri veya üretilebilme imkanları önemli faktör olmakta ve ancak bazı özel durumlarda önem kazanmaktadırlar. - İnce et kalınlığındaki parçalarda, - Soğuk şekil verilecek veya dövülecek parçalarda, - Yüksek işlenebilme gerektiğinde, - Düşük sıcaklıklarda yüksek çarpma dayancı gerektiğinde, - Aşınma direncinin gerektiği bazı özel uygulamalarda (martensitik temper d.d. gibi) - Yüksek elastik modül gerektiren bazı özel uygulamarda (KGDD'lere nazaran % 10-15 yüksek olduğu için)
TEMPER GRAFİTLİ DÖKME DEMiR (DDT) TİPİK KİMYASAL- BİLEŞİMLER (%) C Si Mn S P SERTLİK (BHN) FERRİTİK 2.53 1.33 0.42 0.13 0.04 126 SİYAH T.D.D (DDTS) PERLİTİK İNCE KESİTLİ 2.55 1.3 1.0 0.1 0.05 200 2.55 1.3 0.45 0.1 0.05 240 3.1 0.7 0,4 0.1-0.25 0.6 100 BEYAZ TEMPE R DÖKME DEMİR YÜKSEK KÜKÜRTLÜ ÇOK YÜKSEK KÜKÜRTLÜ 3.0 0.7 0.24 0.22 0.06 180 3.40 0.45 0.15 0.32 0.07 250 NORMAL KÜKÜRTLÜ 2.62 1.35 0.45 0.13 0.05 150 İKİ KADEME GÖRMÜŞ DDTB 3.12 0.69 0.33 0.18 0,06 187
TS 519 BEYAZ TEMPER DÖKME DEMİRLER TS 519 Çekme Dayanımı kgf/mm2 Akma Sınırı kgf/mm2 Kopma Uzaması % Sertlik HB Doku Özellikleri DDTB-35 35 -- 4 220 "Ferritik iç düzey+ temper karbon" DDTB-40 40 22 5 220 Çekirdek dokusu "lamelli perlit+ temper karbon" DDTB-45 45 26 7 200 Çekirdek dokusu "taneli perlit+ temper karbon" DDTB-55 55 36 5 240 Çekirdek dokusu "ince taneli perlit+ temper karbon" DDTB-65 65 43 3 270 "Karbonsuzlaştırma derinliği az ve ısı işlemi uygulanan bir yapı + temper karbon" DDTB-K38 38 20 12 200 "Karbonsuzlaştırma derinliği çokve kaynak yapıldıktan sonra ısı işlemi gerektirmeyen bir yapı + temper karbon" Deney Parçasının çapı 12 mm.'dir
TS 519 Çekme Dayanımı kgf/mm2 Akma Sınırı kgf/mm2 Kopma Uzaması % Sertlik HB Doku Özellikleri DDTS-35 35 20 12... -150 "Ferrit+ temper karbon" DDTS-45 45 30 7 160-200 "Perlit(lemelliden taneliye kadar değişebilen)+ ferrit+ temper karbon" DDTS-55 55 36 5 180-220 "Perlit(lemelliden taneliye kadar değişebilen)+ + temper karbon" Ferrit de bulnabilir. DDTS-65 65 43 3 270210-250 "Perlit(lemelliden taneliye kadar değişebilen)+ temper karbon" DDTS-70 70 55 2 20240-270 "Isı işlemi uygulanabilen bir yapı + temper karbon" Deney Parçasının çapı 12 mm.'dir TS 519 SİYAH TEMPER DÖKME DEMİRLER
Temper Dökme Demirin Kullanma Alanları Temper dökme demirin sektörlere göre kullanma alanları şunlardır: Tarım: Pulluk, traktör, tırmık, balya makineleri, pompa vb. parçalar Enerji: Motor ve jeneratör parçaları. Denizcilik: Zincir, çapa, sürgü, kanca vb. parçalar Takım Tezgahları : Torna, vargel, planya, freze, matkap tezgahları parçalar Ev Eşyası: Dikiş makinesi, buz dolabı, çamaşır makinesi, ütü, ve elektrik süpürgesi parçaları. Otomotiv Endüstrisi: Motor transmisyon elemanları, mil, direksiyon dişlileri, motor blokları vb. parçalar Boru ve Tesisat: Fittings, musluk ve valf, cıvata ve somun vb.
Temper Dökme Demir Perlitik Matriks Ferrit (Beyaz) Grafit (siyah) Perlit (gri) Kısmen temperlenmiş tamamlanmamış ferritleme tavı Ferritik Matriks Ferrit (beyaz) Grafit (siyah) 10 m Tam temperlenmiş tamamlanmış ferritleme tavı
Küresel Grafitli Dökme Demir Ferrit (Beyaz) Grafit (siyah) Manda Gözü Ferrit 5 m Perlit (gri)
FERRİTİK SİYAH TEMPER DÖKME DEMİR
PERLİTİK SİYAH TEMPER DÖKME DEMİR
BEYAZ TEMPER DÖKME DEMİR