TERMAL ANALİZ İLE DÖKÜM SÜREÇLERİNİN KONTROLÜ Arda ÇETİN, Tolga TOKMAKCİ Heraeus Electro-Nite A.Ş., Organize Sanayi Bölgesi, Dağıstan Caddesi, No: 15, 06930 Sincan, Ankara ÖZET Termal analiz, dökümcülere ocak başında kalite kontrolü imkânı sunan hızlı ve güvenilir bir araç olması sayesinde uzun süredir dökümhanelerde kullanılmaktadır. Katılaşma sırasında elde edilen soğuma eğrisinin analizi, sadece dönüşüm sıcaklıkları hakkında değil, katılaşma aralığı, aşırı soğuma miktarı ve alaşımın kompozisyonu yanında, parçanın yapısal ve mekanik özellikleri hakkında da ocak başında bilgi edinme imkanı sunar Bu makale, dökümhanelerde en yaygın kullanılan termal analiz yöntemi olması nedeniyle soğuma eğrisi analizi üzerine ve gri dökme demir katılaşması üzerine odaklanmıştır. Gri dökme demirin termal analizinde kullanılan temel kavramların aktarılması ve bir durum çalışması üzerinden termal analizin pratik faydalarının sunumu, bu makalenin ana çerçevesini oluşturmaktadır. Anahtar sözcükler: Termal analiz, soğuma eğrisi, dökme demir, aşırı soğuma, aşılama ABSTRACT Thermal analysis enables direct control of melt quality on the foundry floor in a fast and reliable manner, and has been used by the foundrymen over a few decades. The cooling curve of a solidifying alloy can provide information about the phase transformation temperatures, total duration of solidification, amount of undercooling and melt composition, as well as the mechanical and structural properties of the ascast alloy. This manuscript focuses on the application of cooling curve analysis, a widely used thermal analysis method on the foundry floor, to grey cast iron solidification, and presents some of the basic concepts related to the thermal analysis and solification of grey cast iron. Keywords: Thermal analysis, cooling curve, cast iron, undercooling, inoculation 1
1. GİRİŞ Döküm süreçleriyle üretilen parçalarda mikroyapı kontolü, parçanın istenilen özelliklere sahip olmasını sağlayabilmek açısından büyük önem taşımaktadır. Katılaşma sırasında mikroyapı oluşumu birçok farklı süreç tarafından kontrol edilmesi nedeniyle, oldukça karmaşık bir doğaya sahiptir. Örnek olarak parça ve kalıp arasındaki ısı transferi, sıvı içindeki sıcaklık eğimi (gradyanı) katı fazın çekirdeklenme ve büyüme süreçlerinin hızı ya da kompozisyondaki dalgalanmalar gibi birçok etken, katılaşma sonrasında ortaya çıkan mikroyapı özelliklerini, dolayısıyla da döküm parçanın özelliklerini önemli derecede etkilemektedir [1]. Döküm parçaların kalitesini ocak başında kontrol etme imkanı sunan, güvenilir bir araç olması nedeniyle termal analiz yöntemi, dökümhanelerde uzun bir süredir kullanılmaktadır [2, 3]. Döküm sırasında, içinde bir termokupl bulunan ufak bir kap içine alınan bir numunenin soğuma eğrisinden alınan veri sayesinde, alaşımın sıvılaşma (likidus), ötektik başlangıç ve katılaşma sonu sıcaklıkları tayin edilebilmekte, ilerleyen sayfalarda ayrıntılı olarak ele alınacak olan karbon eşdeğeri ve doygunluk derecesi kavramları sayesinde, dökülen parçanın kompozisyonu hassas bir şekilde kontrol edilebilmekte [3], aynı zamanda dökülen parçanın mikroyapısı ve bazı yapısal özellikleri hakkında da bilgi edinilebilmektedir [4]. Termal analiz, en genel şekliyle, sıcaklığa bağlı olarak malzemelerin özelliklerinde meydana gelen değişimleri inceleyen, malzeme biliminin bir branşı olarak tanımlanmaktadır [5]. Farklı termal analiz yöntemlerinde, sıcaklıktaki değişimlere bağlı olarak birçok farklı özelliğin takibi yapılabilir. Örnek olarak enerji değişimlerinin takip edildiği yöntemler (DTA, DSC ve soğuma eğrisi analizi gibi), boyutsal özelliklerin takip edildiği yöntemler (dilatometri gibi), ya da ağırlık değişimlerinin takip edildiği yöntemler (TGA gibi) gösterilebilir [5]. Bu makale, döküm sanayisinde en sık kullanılan yöntemlerden biri olması nedeniyle soğuma eğrisi analizi ve bu yöntemin sağladığı pratik avantajlar üzerine yoğunlaşmaktadır. Yine dökümhanelerde yaygın olarak dökülen bir malzeme olması nedeniyle, bu makalenin yazarları yalnızca gri dökme demirlerin termal analizi üzerine bir değerlendirme sunmayı tercih etmişlerdir. 2. SOĞUMA EĞRİSİ ANALİZİNE GİRİŞ Soğuma eğrilerini temel alarak uygulanan termal analiz yönteminde, dökülen metal ya da alaşımın soğuma eğrisinin biçimsel özelliklerine bakarak, döküm parçanın mikroyapısı ve yapısal özellikleri hakkında bilgi edinilebilir. Basit bir örnek üzerinde açıklayabilmek amacıyla, ötektik kompozisyondan (%4.3 C) daha düşük miktarda karbon içeren, ötektik altı bir dökme demirin katılaşma sırasında sıcaklığını takip ederek soğuma eğrisini elde ettiğimizi düşünelim. Böyle bir alaşım Çizelge 1 üzerinde solda, C 0 kompozisyonuna sahip olarak gösteriliyor. Şeklin sağ tarafında ise, bu alaşımın katılaşma sırasında takip ettiği soğuma eğrisi temsili olarak veriliyor. C 0 kompozisyonuna sahip bu alaşımın denge faz diyagramı üzerindeki faz dönüşüm sıcaklıklarına dikkat edildiğinde, sağ tarafta gösterilen soğuma eğrisindeki büküm noktalarına denk geldiğini görülebilir. (Aslında soğuma eğrisi üzerindeki 2
büküm noktaları, denge dönüşüm sıcaklıklarının bir miktar altındaki sıcaklıklara denk geliyor. Aşırı soğuma adı verilen bu etki, ilerleyen sayfalarda ayrıntılı olarak ele alınacaktır.) Çizelge 1. Demir-karbon denge faz diyagramı ve C 0 kompozisyona sahip bir dökme demirin temsili soğuma eğrisi. Sıcaklığın sıvılaşma (T L ) eğrisinin altına düşmesiyle, şekilde gösterilen denge faz diyagramı uyarınca, sıvı içerisinde ilk olarak östenit kristallerinin çekirdeklenmesiyle katılaşma başlar. Oluşan bu östenit kristalleri, tek fazlı olmaları nedeniyle dendrit yapısı sergileyerek büyürler. Östenit dendritleri sıvı içerisinde birçok noktada çekirdeklenebilirler. Büyüme süreçleri sırasında, sıvı içindeki taşınım hareketine bağlı olarak konum değiştirip, diğer dendritlerle iç içe geçerek yapıda dendritik bir östenit ağının ortaya çıkmasına sağlarlar. Katılaşmanın bu aşamasında, dendritler arasındaki bölgelerde hala sıvı faz bulunmaktadır. Östenit dendritlerinin oluşmaya başladığı bu sıcaklık (sıvılaşma sıcaklığı ya da likidüs, T L ), soğuma eğrisi üzerindeki ilk büküm noktasına bakılarak tespit edilebilir (Çizelge 1). Sıcaklığın ötektik çizginin altına düşmesinin ardından, dendritler arasındaki sıvı içinde ötektik yapı çekirdeklenip büyümeye başlar. Ötektik reaksiyona denk gelen bu sıcaklık değerinde, soğuma eğrisi üzerinde uzun bir düzlük gözlemlenir. Bu düzlüğün oluşma nedeni, yani bir süre boyunca sıcaklığın az çok sabit bir değerde kalıyor olmasının nedeni, ötektik reaksiyon nedeniyle salınan katılaşma ısısıdır. Dendritler arasında kalan sıvının bu ötektik reaksiyon sonucunda tamamen katılaşmasıyla, katılaşma süreci tamamlanır ve sıcaklık tekrar düşmeye başlar. Soğuma eğrileri her ne kadar ilk bakışta sadece dönüşüm sıcaklıklarına dair bilgi sağlayabilirmiş gibi görünse de, bu alanda uzun bir süredir yapılan araştırmalar soğuma eğrilerinin dökme demirlerin kompozisyonu, mikroyapıları ve hatta mekanik özellikleri hakkında da bilgi sağlayabildiğini göstermektedir [4]. Örnek olarak, Çizelge 1 de verilen denge faz diyagramında, dökme demirlerde gözlemlenen iki ayrı sistemin dönüşüm eğrileri görülebilir: Çizelge üzerindeki kesik çizgiler, kararlı sistem olarak da anlandırılan demir-grafit sistemini, düz çizgiler ise yarı-kararlı sistem olarak 3
da adlandırılan demir-sementit (Fe-Fe 3 C) sistemini temsil etmektedir [6]. Bu iki sistemin denge ötektik dönüşüm sıcaklıkları arasında 7 C lik bir fark olduğu görülmektedir. Soğuma hızının nispeten yavaş ve ötektik çekirdeklenme sürecinin verimli olduğu durumlarda, grafit ayrışması sayesinde gri dökme demir adı verilen kararlı sistem oluşurken, nispeten hızlı soğuma koşullarında ya da çekirdek sayısının az olduğu durumlarda, sıcaklığın 7 C düşük sıcaklıktaki yarı-kararlı denge sıcaklığının altına düşmesi sonucunda beyaz katılaşma gözlemlenmektedir. Dökme demirlerde görülen ve soğuma eğrisi üzerinde de gözlemlenebilen aşırı soğuma miktarı ( T), bu nedenle, ortaya çıkacak olan mikroyapı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. 3. DÖNÜŞÜM SICAKLIKLARININ SOĞUMA EĞRİSİNİN TÜREVİ İLE TAYİNİ Aşırı soğuma miktarı ve mikroyapı arasındaki ilişkinin ayrıntılarına girmeden önce, ilk olarak soğuma eğrileri üzerindeki dönüşüm sıcaklıklarının belirlenmesi ve kompozisyon kontrolü konuları üzerinde duralım. Soğuma eğrileri üzerinde her ne kadar bazı büküm noktaları gözlemliyor olsak da, bu bükülmeler her zaman tek bir sıcaklık değerine denk gelecek kadar keskin bir şekilde değil, çoğu zaman yavaş bir geçiş şeklinde ortaya çıkar. Dolayısıyla bir soğuma eğrisine çıplak gözle bakıp, bir faz dönüşümünün hangi sıcaklıkta başladığını ve tamamlandığını kesin bir şekilde söyleyebilmek çoğu durumda mümkün olmaz. Bu nedenle, soğuma eğrisi üzerindeki faz dönüşümü sıcaklıklarını kesin bir şekilde tayin edebilmek amacıyla, soğuma eğrisinin birinci türevine dayalı, matematiksel bir yaklaşım kullanılır [2, 7-9]. Çizelge 2. Soğuma eğrisi (mavi) ve soğuma eğrisinin birinci türevi (kırmızı). 4
Örnek olarak Çizelge 2 üzerinde bir soğuma eğrisi, eğrinin birinci türeviyle birlikte verilmiş ve soğuma eğrisi üzerinde çıplak gözle görünür olmayan birçok noktanın, eğrinin birinci türevi vasıtasıyla kesin bir şekilde nasıl belirlendiği gösterilmiştir. Bu yaklaşımın ardındaki temel düşünce şu şekilde açıklanabilir: Bir eğrinin türevini alarak elde edilen türev eğrisi, orjinal eğrinin eğimindeki değişimleri temsil eder. Daha yalın bir ifadeyle, Çizelge 2 üzerinde gösterilen türev eğrisi, soğuma eğrisinin farklı zaman dilimlerindeki eğimini vermektedir. Eğer, varsayımsal bir durum olarak, alaşımın herhangi bir faz dönüşümü geçirmeden soğuduğu düşünülürse, bu durumda eğri üzerinde keskin büküm noktaları gözlemlenmez. Yani böyle bir durumda, yüksek bir sıcaklık değerinden düşük sıcaklığa doğru asimptotik bir şekilde azalan bir eğri elde edilmesi gerekir. Bu tariften de anlaşılabileceği üzere, eğri üzerindeki büküm noktaları faz dönüşümleri nedeniyle ortaya çıktığı için, bu dönüşümlerin başladığı noktalar eğrinin eğimindeki değişimlere bakılarak net bir şekilde tespit edilebilir. Örnek olarak Çizelge 2 üzerinde sıvılaşma (likidus) sıcaklığına denk gelen büküm noktası (Çizelge üzerinde: 1) her ne kadar çıplak gözle de az çok tayin edilebilir olsa da, ötektik dönüşümün başladığı noktanın (Çizelge üzerinde: 2) çıplak gözle kesin bir şekilde tayin edilebilmesi mümkün değildir. İşte bu nedenle, eğrinin birinci türevini alındığında, eğri üzerinde görülmesi zor olan bu dönüşüm noktaları da net bir şekilde tespit edilebilir hale getirilmiş olur. 4. TERMAL ANALİZ İLE KOMPOZİSYON KONTROLÜ 4.1. Sıvılaşma Karbon Eşdeğeri (CEL) Soğuma eğrisi üzerindeki dönüşüm noktalarını önceki bölümlerde anlatılan yöntemler aracılığıyla tespit ettikten sonra, soğuma eğrisi üzerindeki kritik sıcaklıklardan yola çıkarak, dökme demirlerin kompozisyonu hakkında da bilgi sahibi olunabilir. Bu amaçla temel olarak sıvılaşma karbon eşdeğeri (carbon equivelent liquidus, CEL) adı verilen bir kavramdan faydalanılır. Sadece demir ve karbon ihtiva eden bir dökme demirin kompozisyonu ve sıvılaşma sıcaklığı arasında net bir ilişki olması gerektiği Çizelge 1 de gösterilen demir-karbon faz diyagramı üzerinde görülebilir. Alaşımın içerdiği karbon miktarına bağlı olarak sıvılaşma sıcaklığının değişiyor olması nedeniye, ölçülen sıvılaşma sıcaklığından yola çıkarak alaşımın içerdiği karbon miktarı kesin bir şekilde tayin edilebilir. Fakat dökme demirin, başta silisyum ve fosfor olmak üzere farklı alaşım elementleri de içerdiği gerçek döküm uygulamalarında, sadece demir-karbon denge faz diyagramı üzerinden böyle bir değerlendirme yapılamaz. Sağlıklı bir değerlendirme yapılabilmesi için, mutlaka kompozisyonu önemli derecede etkileyen diğer alaşım elementlerinin de dikkat alınması gerekir. Sıvılaşma karbon eşdeğeri, ya da CEL, bu tür durumlarda kullanılmak üzere, yani kompozisyon ve sıvılaşma sıcaklığı (T L ) arasındaki ilişkiyi matematiksel bir çerçeveye oturtmak amacıyla geliştirilmiş bir kavramdır. Yapılan araştırmalar sonucunda [10] dökme demirlerin sıvılaşma sıcaklığı ve sıvılaşma karbon eşdeğeri (CEL) arasında Denklem 1 de verilen şekilde bir ilişki olduğu gözlemlenmiştir. CEL in ifadesi ise, Denklem 2 de verilmiştir. 5
[1] [2] Çeşitli kompozisyonlara sahip dökme demirlerin sıvılaşma karbon eşdeğeri ve sıvılaşma sıcaklığı verileri üzerinde yapılan analizler sonucunda elde edilen bu denklemin ±0.047 kadar düşük bir standart sapma değerine sahip olması ve ilişki katsayısının da r = 0.987 olması, bu denklemin sağladığı sonuçların güvenirliğini teyit etmektedir. Fakat dikkat edilmelidir ki, farklı kompozisyondaki dökme demirler aynı CEL değerlerine sahip olabilirler. Dolayısıyla CEL, kompozisyonun tek göstergesi olarak değerlendirilmemelidir. Dökme demirlerde görülen kararlı (gri) ve yarı-kararlı (beyaz) sistemlerin ötektik dönüşüm sırasında ortaya çıkması, ve katılaşmanın ilk kısmında ortaya çıkan östenit dendritleri üzerinde, dolayısıyla sıvılaşma sıcaklığı üzerinde bir etki yaratmaması nedeniyle, bu eşitlik hem gri, hem de beyaz dökme demirler için kullanılabilir. 4.2. Karbon Eşdeğeri (CEV) Bu noktada, sıvılaşma karbon eşdeğeri (CEL) ile sıklıkla karıştırılan bir başka kavram olan karbon eşdeğeri (carbon equivalent value, CEV) üzerinde de kısaca durulması faydalı olabilir. Sıvılaşma sıcaklığı (T L ) ve kompozisyonu ilişkilendirmek için kullanılan sıvılaşma karbon eşdeğerinden farklı olarak karbon eşdeğeri, dökme demirlerin kompozisyonunu değerlendirmek için kullanılan bir başka kavramdır [11]. Karbon eşdeğeri, bir dökme demirin kompozisyonunun ötektik kompozisyondan ne kadar farklı olduğunu ifade eder. Dökümhane koşullarında üretilen dökme demirlerin sadece demir ve karbon elementlerini değil, silisyum ve fosfor gibi farklı alaşım elementlerini de içermesi nedeniyle, bu alaşımların kompozisyonunu değerlendirirken sadece Fe-C denge faz diyagramından faydalanılamaz. Bu durumlarda, silisyum ve fosfor elementlerinin dökme demirin kompozisyonunu ne şekilde etkilediğini belirtmek için karbon eşdeğeri (CEV) kavramı kullanılır. Karbon eşdeğerinin ifadesi Denklem 3 de verilmiştir. Bu kavram uyarınca bir dökme demirin ötektik kompozisyona sahip olabilmesi için, karbon eşdeğerinin 4,3 e eşit olması gerekmektedir. [3] Karbon eşdeğeri ötekik kompozisyondan (%4,3) düşük olan dökme demirler ötektik altı, ötektik kompozisyonun üzerinde olan dökme demirler ise ötektik üstü olarak sınıflandırılır. 4.3. Doygunluk Derecesi (Sc) Karbon eşdeğeriyle benzer bir değerlendirme imkanı sunan bir diğer kavram da doygunluk derecesidir (saturation degree, Sc). Daha ziyade Alman dökümcüler tarafından tercih edilen bu kavram ile kompozisyonu değerlendirirken, dökme demirin içerdiği karbon miktarı, ötektik kompozisyona sahip bir dökme demirin içerdiği karbon miktarına oranlanır (Denklem 4): 6
[4] Bu eşitlik uyarınca, ötektik kompozisyona sahip bir dökme demirin doygunluk derecesinin Sc = 1 olması gerekmektedir. Doygunluk derecesi 1 den düşük olan dökme demirler ötektik altı, 1 den yüksek olan dökme demirler ise ötektik üstü olarak sınıflandırılır. 4.4. Sıvılaşma Karbon Eşdeğerinin Sınırları Sıvılaşma karbon eşdeğeri (CEL) her ne kadar sıvılaşma sıcaklığı ve kompozisyon arasında başarılı bir ilişki kuruyor olsa da, bu kavram karbon eşdeğeri (CEV) gibi bütün dökme demirler için kullanılamaz. Bunun nedeni, sıvılaşma sıcaklığının (T L ) bütün dökme demirlerde net bir şekilde gözlemlenmiyor olmasıdır. Ötektik altı bir dökme demirin karbon eşdeğeri ötektik kompozisyona yaklaştıkça, sıvılaşma sıcaklığı da ötektik dönüşüm sıcaklığına yaklaşır. Ötektik kompozisyona sahip bir dökme demirde ise katılaşma sadece ötektik tanelerin çekirdeklenmesi ile gerçekleştiği için, yapısında östenit dendritleri gözlenmez; soğuma eğrisi üzerinde de sıvılaşma sıcaklığına denk gelen bir bükülme gerçekleşmez. Ötektik üstü kompozisyona sahip dökme demirlerde ise katılaşmanın grafit ayrışması ile başlaması nedeniyle, ötektik altı kompozisyona sahip dökme demirlerin soğuma eğrilerinde görüldüğü şekilde bir sıvılaşma sıcaklığı bükülmesi gözlenmez: Bunun nedeni, bu ayrışma sırasında salınan katılaşma ısısının soğuma eğrisi üzerinde bir bükülme yaratacak kadar etkili olmamasıdır. Dolayısıyla, bu ifadelerden de anlaşılabileceği üzere, sıvılaşma karbon eşdeğeri yalnızca karbon eşdeğeri %4,3 den düşük olan ötektik altı dökme demirler için kullanılabilir. Dökme demirin kompozisyonu ötektik kompozisyona çok yakın olduğu durumlarda, soğuma eğrisi üzerinde sıvılaşma sıcaklığına denk gelen bükülme, ötektik dönüşüm sıcaklığında ortaya çıkan düzlük ile çakışarak, sıvılaşma sıcaklığının tayinini zor bir hale getirebilir. Bu tür durumlarda da sağlıklı veri alabilmek amacıyla, güçlü bir karbür oluşturucu element olan telleryum kullanılarak gri dökme demirin, beyaz dökme demir olarak katılaşması sağlanır. Telleryumun sağladığı etki Çizelge 3 üzerinde görselleştirilmiştir. Bu Çizelge üzerinde (a) demir-karbon denge faz diyagramı; ve (b) ötektik noktanın detayı büyük ölçekte gösterilmektedir. Çizelge üzerinde de görüldüğü gibi, dökme demire telleryum katkısı yapılarak beyaz dökme demir olarak katılaştırıldığında, ötektik noktanın E g noktasından E b noktasına kayması sağlanır. Bunun sonucu olarak C 0 kompozisyonuna sahip bir dökme demirde, sıvılaşma sıcaklığı ile ötektik dönüşüm sıcaklığındaki düzlüklerin çakışması engellenerek, sıvılaşma karbon eşdeğeri (CEL) ölçümü yapılması sağlanabilir. 7
Çizelge 3. (a) Demir-karbon denge faz diyagramı; (b) Ötektik noktanın yakından gösterimi: telleryum katkısı sayesinde katılaşma aralığı genişletilerek, ötektik kompozisyona yakın dökme demirlerde de CEL tayini mümkün olabilmektedir. 5. AŞIRI SOĞUMA (ΔT) 5.1. Aşırı Soğumanın Tanımı ve Nedeni Katılaşma sürecinde gerçekleşen bir faz dönüşümünün, denge faz diyagramı üzerinde gösterilen denge dönüşüm sıcaklığından daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleşmesi durumuna aşırı soğuma (ΔT) adı verilir [12]. İster birincil östenit dendritleri olsun, ister ötektik dönüşüm sırasında ortaya çıkan taneler olsun, tüm katılaşma süreçleri, katılaşan fazın çekirdeklenmesi ve ardından büyümesi ile gerçekleşir. Diğer bir deyişle, soğuyan bir sıvı metal ya da alaşımın katılaşmaya başlayabilmesi için, denge dönüşüm sıcaklığına gelindiğinde sıvı içinde yeterli seviyede çekirdeğin oluşmuş olması gerekir. Katılaşmanın kendiliğinden bu şekilde, yani denge koşullarına yakın bir işleyişle gerçekleşebilmesi için, sıvı alaşımın çok yavaş bir şekilde soğutulması gerekir. Fakat, katılaşmanın bu şekilde gerçekleşmesini mümkün kılacak kadar yavaş soğuma koşullarının dökümhane ortamında sağlanması kolay bir durum değildir. Bu nedenle, sıvı alaşımlar denge dönüşüm sıcaklıklarının altına soğuyarak, yani aşırı soğuma yaparak, katılaşmanın başlamasını mümkün kılacak çekirdek sayısını arttırma yoluna giderler. Aşırı soğuma, dökme demirlerin mikroyapıları, dolayısıyla da mekanik özellikleri üzerinde önemli etkilere sahiptir. Aynı kompozisyona sahip iki dökme demir bile, katılaşma sırasında ortaya çıkan aşırı soğuma miktarına bağlı olarak ötektik hücre sayısı, grafit tipi gibi mikroyapı özellikleri yanında çekme dayanımı ve sertlik gibi mekanik özellikler açısından önemli farklar sergileyebilirler. Bu nedenle katılaşma sırasında ΔT nin takip edilmesi, süreç kontrolü açısından büyük önem taşımaktadır. 5.2. Aşılama Bir dökme demirin istenilen mikroyapı özelliklerini, dolayısıyla da mekanik özellikleri sergileyebilmesi için, yalnızca kompozisyonunun doğru bir şekilde ayarlanması yeterli değildir: Katılaşma sürecinin istenilen mikroyapıyı ortaya çıkarabilmesini sağlamak için, katı fazın ilk olarak oluşmaya başladığı çekirdeklerin 8
de yeterli düzeyde olması gerekmektedir. Dökme demirlerde grafit ayrışması her ne kadar karbon eşdeğeri, özellikle de alaşımın içerdiği silisyum miktarına bağlı bir süreç olsa da, dökülen parçanın ince kesitlerinde ya da köşelerinde soğuma hızının yüksek olması nedeniyle, bu kısımlarda grafit ayrışması mümkün olmayabilir ve kırılgan bir doğaya sahip olan beyaz dökme demir görülebilir. Aynı zamanda, aşırı soğuma miktarına bağlı olarak gri dökme demirin yapısında istenmeyen aşırı soğumuş grafit de (D tipi) ortaya çıkabilir. Bu tür istenmeyen durumların önüne geçebilmek amacıyla, dökme demirlerin döküm öncesinde aşılanması gerekmektedir. Aşılama işleminde, sıvı haldeki alaşıma toz kıvamında, ötektik tanelerin üzerinde daha rahat çekirdeklenebilecekleri ufak partiküller eklenir. Bu ufak partiküllerin üzerinde çekirdeklenen ötektik taneler sayeside grafit ayrışması kolaylıkla gerçekleşebilir ve dökme demirin fazla miktarda aşırı soğuma yapmasına gerek kalmaz [13, 14]. Ötektik katılaşma sırasında ortaya çıkan aşırı soğumanın miktarı, denge faz diyagramı üzerinde görülen denge dönüşüm sıcaklığı, yani 1150 C referans alınarak değerlendirilir. Diğer bir deyişle, aşırı soğuma miktarı, yani ΔT, ötektik katılaşma sırasında soğuma eğrisi üzerinde görülen en düşük sıcaklık (TE MIN ) ve 1150 C arasındaki farka eşittir. Çizelge 4. (a) Dökme demirin aşılamadan önce; ve (b) aşılama sonrasındaki soğuma eğrileri. Aşılama sonrasında aşırı soğumanın (ΔT) nasıl azaldığına dikkat ediniz. Aşılama işleminin etkisini değerlendirmek için, aşırı soğuma parametresi (quotient of undercooling, QU) adı verilen bir kavramdan faydalanılır. Bu parametre, aşılama öncesinde dökme demirin yaptığı aşırı soğuma miktarıyla, aşılama sonrasındaki aşırı soğuma miktarını oranlayarak elde edilir. Örnek olarak Çizelge 4 üzerinde (a) aşılamadan önce, ve (b) aşılamadan sonra aynı kompozisyona sahip bir dökme demirin soğuma eğrileri gösterilmektedir. Çizelge üzerinde de gösterildiği gibi, aşılama yapıldıktan sonra ΔT ile gösterilen aşırı soğuma miktarında bir azalma gerçekleşir. Bu durumlarda, QU üzerinden aşılamanın ne ölçüde etkili olduğu şu şekilde değerlendirilebilir: 9
QU < 1.25: Aşılamanın etkisiz olduğunu ifade eder. Aşı miktarının yetersiz olduğu ya da yanlış aşılayıcı kullanıldığı şeklinde yorumlanabilir. 1.25 < QU < 1.50: Aşılamanın mükemmele yakın, fakat yine de yüksek soğuma hızına sahip ince kesitler için yetersiz olabileceğini belirtir. 1.50 < QU < 2.50: Aşılamanın optimum düzeyde olduğunu ifade eder. 2.50 < QU < 4.00: Aşılamanın gereğinden fazla olduğunu belirtir. 5.3. ΔT Ölçümü ile Elde Edilebilen Bilgiler Soğuma eğrilerinin sağladığı bilgiler, malzemenin yapısal ve mekanik özelliklerinin tahmini için birçok ipucu içerir. Basit bir örnek olarak, soğuma eğrisi üzerinde gözlenen sıvılaşma sıcaklığı (T L ) ve minimum ötektik sıcaklık (TE MIN ) arasındaki fark, dökme demirlerin çekme dayancı hakkında fikir verebilir. Genel bir kural olarak, bu iki sıcaklık değeri arasındaki fark arttıkça, yapıdaki östenit dendrit miktarının artması ve dendritlerin daha iç içe geçmiş bir ağ yapısı ortaya çıkarması nedeniyle, çekme dayancında bir iyileşme gözlenir. Dökme demirin çekme dayancında bir artış gerçekleşmesi, sertliğinin de artacağı anlamına gelmez. Benzer çekme dayancına sahip dökme demirlerin sertlik değerleri arasında farklar gözlemlenebilir. Benzer çekme dayancına sahip iki dökme demir arasında daha yüksek sertliğe sahip olan dökme demirin işlenebilirliği düşük olacaktır. Genel bir kural olarak, sabit kompozisyona sahip bir dökme demirde aşırı soğuma miktarı azaldıkça çekme dayanımın arttığı, fakat sertliğin azaldığı gözlenir. Aşırı soğuma miktarı arttığında ise çekme dayanımı azalırken, sertlik değerlerinde bir artış meydana gelir. Teknik literatürde, dökme demirlerin mekanik ve yapısal özelliklerinin soğuma eğrileri analiziyle tahmin edilmesine olanak sağlayan birçok eşitlik sunulmaktadır. Fakat bu eşitlikler, genellikle ya bazı kompozisyon aralıkları için, ya da, belli bir grafit tipi gibi belli mikroyapı özellikleri için geçerli olmaktadır. Bu denklemlerin genel durumları yansıtmaktan ziyade özel durumlara yönelik olmaları nedeniyle, bu makalenin yazarları, bu özellikleri tahmin etmek için kullanılan çeşitli eşitliklerin bir derlemesini sunmak yerine, bir durum çalışması üzerinden pratik bir örnek vermeyi tercih etmişlerdir. 6. DURUM ÇALIŞMASI Gri dökme demirlerin kimyasal kompozisyonu, soğuma eğrileri ve mikroyapıları arasındaki ilişkileri pratik bir örnek üzerinden de açıklamak maksadıyla, bu çalışmada bir de durum çalışmasına yer verilmiştir. Bu çalışma kapsamında 3,60 sıvılaşma karbon eşdeğerine (CEL) sahip bir gri dökme demirden ilk olarak aşısız, ardından %0,10 ve %0,20 aşı eklenerek birer soğuma eğrisi ve spektrometre analizi numuneleri alınmış, ardından her bir aşı yüzdesi için bir merdiven numunesi dökülmüştür. Çalışmada kullanılan merdiven modelin ölçüleri Şekil 1 üzerinde verilmiştir. Spektrometre sonuçları ise Tablo 1 de listelenmiştir. Dökümlerde aşı olarak IM 75 B (%74 - %79 Si, %0,8 - %1,2 Ca, %0,8 - %1,2 Ba, %1,2 max. Al) kullanılmıştır. 10
Şekil 1. Dökümlerde kullanılan merdiven modelin ölçüleri. Tablo 1. Spektrometre analizi sonuçları. Aşı %C %Si %Mn %P %S %Cu %Al %Ti %Pb %0 3,26 1,72 0,733 0,037 0,1203 0,106 <0,001 0,014 0,002 %0,10 3,25 1,81 0,738 0,038 0,1025 0,101 <0,001 0,014 0,002 %0,20 3,23 1,85 0,735 0,038 0,1213 0,102 <0,001 0,014 0,001 Değişen aşı miktarlarına bağlı olarak elde edilen soğuma eğrileri Çizelge 5 üzerinde gösterilmiş, soğuma eğrilerinden elde edilen çeşitli parametreler ise Tablo 2 de listelenmiştir. Tablo 2. Soğuma eğrilerinden elde edilen çeşitli parametreler. Aşı T L ( C) T ( C) T M ( C) T S ( C) CEL Sc QU %0 1218,6 13,9 8,6 1098,0 3,60 0,871 - %0,10 1220,5 10,2 4,9 1104,8 3,59 0,867 1,36 %0,20 1218,9 9,2 5,2 1106,6 3,60 0,871 1,43 Çizelge 5 ve Tablo 2 üzerinde görülebileceği üzere, aşılama miktarı arttıkça, ötektik katılaşma sırasında görülen aşırı soğuma miktarında ( T) bir azalma meydana geliyor. Daha önce belirtildiği üzere, sıvı metal ve alaşımlar katılaşmanın başlamasını mümkün kılacak çekirdek sayısını arttırabilmek için denge dönüşüm sıcaklıklarının altına soğuyabiliyorlar; diğer bir deyişle, aşırı soğuma yapıyorlar. Aşırı soğuma ( T) değerinde bir azalmanın meydana gelmesi, eklenen aşı miktarına bağlı olarak sıvıdaki çekirdeklenme potansiyelinin arttığını, yani katılaşmanın daha kolay başlayabileceğini gösteriyor. Tablo 2 de verilen değerlerde, aşılamanın sadece ötektik katılaşma sürecini etkilediğine ve östenit dendritlerinin ilk çekirdeklenmeye başladığı sıvılaşma (likidüs, T L ) sıcaklığının aşılamadan etkilenmediğine dikkat ediniz. Yapılan çalışma kapsamında elde edilen numunelerde, aşılama miktarına bağlı olarak gözlenen aşırı soğuma miktarı azaldıkça, dökme demirin mikroyapısında da bazı değişimlerin meydana geldiği tespit edildi. Aşı miktarı ve merdiven numunenin kesit kalınlığına (dolayısıyla da soğuma hızına) bağlı olarak gözlenen bu farklılıklar, Tablo 3 üzerinde listelenmiştir. 11
Çizelge 5. (a) Aşısız, (b) %0,10 aşılı, ve (c) %0,20 aşılı numunelerin soğuma (mavi renkle gösteriliyor) ve birinci türev eğrileri (kırmızı renkle gösteriliyor). 12
Tablo 3. Merdiven numunelerin metalografik inceleme sonuçları. Aşı Kesit kalınlığı (mm) % Karbür Grafit tipi HB Sertlik 5 %50 D, E 315 %0 %0,10 %0,20 10 %25 D, E 269 15 - %25 A, %75 D, E 225 20 - %70 A, %30 D, E 209 5 %25 D, E 260 10 - %90 A, %10 D, E 266 15 - %90 A, %10 B 233 20 - %95 A, %5 B 216 5 %5 D, E 253 10 - %95 A, %5 B 269 15 - %100 A 229 20 - %100 A 208 Metalografik inceleme sonucunda, yapıda karbür (sementit) oluşma riskinin soğuma hızı ve aşılama miktarıyla ilişkili olduğu gözlendi. Soğuma hızının yüksek olduğu ince kesitlerde daima bir miktar karbür oluştuğu tespit edildi. Fakat aşılama miktarı arttıkça, oluşan karbürlerin yüzdesinde ciddi bir azalma meydana geldiği görüldü: Örneğin, aşısız dökülen merdiven numunenin en ince kesitinde %50 oranında karbür tespit edilirken, %0,10 aşılı dökülen numunede bu değerin %25 e, %0,20 aşılı dökülen numunede ise %5 e düştüğü tespit edildi. Karbür miktarındaki bu düşüş, yukarıda da belirtildiği üzere, aşılanan sıvıdaki çekirdeklenme potansiyelinin artması nedeniyle aşırı soğumanın ( T) azalmasından kaynaklanıyor. Mikroyapıda görülen grafit türünün de hem soğuma hızından, hem de aşılama miktarından etkilendiği görüldü. Genel bir kural olarak, eğer karbür oluşumu engellenmiş ve grafit ayrışması sağlanabilmişse, aşılamanın yetersiz ve soğuma hızının yüksek olduğu durumlarda, aşırı soğumuş grafit tipi olarak da bilinen D ve E tipi grafit yapısının ortaya çıktığı gözlendi. Aşılama miktarı arttıkça ve soğuma hızının nispeten yavaş olduğu durumlarda ise, ağırlıklı olarak A tipi grafit yapısının ortaya çıktığı görüldü. Oluşan grafit tipi ve yapıdaki karbür yüzdesine bağlı olarak, aşılama miktarının yüksek ve soğuma hızının yavaş olduğu durumlarda, numunelerin sertliğinin azaldığı tespit edildi. Merdiven numunelerin farklı kesitlerinden alınan Brinell sertlik değerleri Tablo 3 de görülebilir. Mikroyapılarda gözlemlenen farklı durumlara birer örnek vermek adına, aşısız numunenin en ince kesitinden ve %0,20 aşılı numunenin en kalın kesitinden alınan birer mikroyapı fotoğrafı Şekil 2 de verilmiştir. Bu çalışmada dökme demire eklenen aşı miktarlarının yeterli olup olmadığını değerlendirmek için, daha önce bahsi geçen aşırı soğuma parametresinden (quotient of undercooling, QU) faydalanılabilir. Tablo 2 de verilen aşırı soğuma değerleri üzerinden aşırı soğuma parametreleri hesaplandığında, %0,10 aşı için bu parametrenin 1,36, %0,20 aşı için ise 1,43 değerine sahip olduğu görülebilir. Bu değerlerin gösterdiği sonuç, Bölüm 5.2 de de açıklandığı üzere, aşılamanın mükemmele yakın düzeyde olduğu, fakat yine de ince kesitler için yetersiz olabileceği şeklinde yorumlanabilir. QU parametresinin optimum seviye olarak değerlendirilen 1,50 2,50 aralığına çekilebilmesi için aşırı soğumanın bir miktar daha azaltılması, diğer bir deyişle aşılamanın bir miktar daha arttırılması gerektiği, bu değerlendirmeden anlaşılabilir. 13
Dökülen parçanın soğuma eğrisi ve mekanik özellikleri arasında da bazı ilişkiler kurulabilir. Örnek olarak bir gri dökme demirin sertliği ve kompozisyonu arasında Denklem 5 te gösterilen şekilde bir ilişkinin bulunduğu, Heraeus Electro-Nite tarafından yapılan birçok çalışma sonucunda tespit edilmiştir: HB = 538.6 354,75 Sc [5] Bu eşitlik sadece A tipi grafit içeren dökme demirler için geçerlidir. Bu eşitlik kullanılarak, bu çalışmada dökülen numunelerin doygunluk derecesi (Sc = 0,870 ) için sertlik değeri hesaplandığında, teorik Brinell sertlik değerinin 230 HB olması gerektiği görülebilir. Deneysel sonuçlara bakıldığında, sadece A tipi grafit içeren kısımlardan alınan tüm sertlik değerlerinin ortalamasının 222 (± 9) HB olduğu, yani teorik beklentiye oldukça yakın olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuç, soğuma eğrilerinden elde edilen bilgilerin, dökülen bir parçanın mekanik özelliklerini değerlendirmek için de güvenilir bir araç olduğunun görülmesi açısından önemlidir. (a) (b) Şekil 2. (a) Aşısız numunenin en ince (t = 5 mm) kesitinde görülen masif sementit (beyaz) ve perlit fazları; (b) %0,20 aşılı numunenin en kalın (t = 40 mm) kesitinde gözlemlenen perlit matris ve A-tipi grafit. TEŞEKKÜR Bu çalışmada sunulan durum çalışmasının tüm döküm ve analizleri Ay Döküm de (http://aydokum.com) gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmaya yaptıkları katkılar ve sağladıkları çok değerli bilgiler için öncelikle Sayın Rıdvan Erdil ve Sayın Orhan Aral olmak üzere, çalışmada emeği geçen diğer tüm Ay Döküm çalışanlarına teşekkür ederiz. 14
KAYNAKÇA [1] W. Kurz, D.J. Fischer, Fundamentals of Solidification, Trans Tech Publications, Aedermannsdorf, Switzerland, 1992, pp 1-16 [2] I.G. Chen, D.M. Stefanescu, Computer Aided Differential Thermal Analysis of Spherodial and Compacted Graphite Cast Irons, AFS Transactions, 92, 1984, pp 947-964 [3] U. Ekpoom, R.W. Heine, Thermal Analysis by Differential Heat Analysis (DHA) of Cast Iron, AFS Transactions, 89, 1981, pp 27-38 [4] L.E. Menawati, R.W. Heine, C.R. Loper Jr., Relationship of Gray Iron Macro and Microstructures to Cooling Curves, AFS Transactions, 78, 1970, pp 363-373 [5] T. Hatakeyama, Zhenhai Liu (Eds.) Handbook of Thermal Analysis, John Wiley & Sons, England, 1998, pp 1-6 [6] M. Hillert, V.V.S. Rao, Gray and White Solidification of Cast Iron Solidification of Metals: Proceedings of the Conference on Solidification of Metals, Brighton, 1967, pp 204-211 [7] K.G. Upadhya, D.M. Stefanescu, K. Lieu, D.P. Yeager, Computer-Aided Cooling Curve Analysis: Principles and Applications in Metal Casting, AFS Transactions, 97, 1989, pp 61-66 [8] J.O. Barlow, D.M. Stefanescu, Computer-Aided Cooling Curve Analysis Revised, AFS Transactions, 105, 1997, pp 349-354 [9] E. Fras, W. Kapturkiewicz, A. Burbielko, H.F. Lopez, A New Concept in Thermal Analysis of Castings, AFS Transactions, 101, 1993, 505-511 [10] J.R. Davis, ASM Speciality Handbook: Cast Irons, ASM International, 1996, p 6 [11] C. Balasingh, Effect of Carbon Equivalent and Inoculation on Residual Stresses in Grey Iron Castings, Journal of Mechanical Working Technology, 9, 1984, 53-66 [12] D.A. Porter, K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, Chapman & Hall, London, 1992, pp 185-188 [13] D.M. Stefanescu, Science and Engineering of Casting Solidification Kluwer Academic / Plenum Publishers, New York, 2002, pp 122-125 [14] J.R. Brevick, J. Davis, Applying Delta T Measurements to Gray Iron Innoculation, AFS Transactions, 98, 1990, p 379 15