3.GRİ DÖKME DEMİR Gri dökme demirler pek çok faydalı özelliklere sahip olduğu için büyük ve küçük boyutlardaki basit ve karmaşık dökümler için tasarım mühendisliğinin halen gözde malzemeleridir. Bugün bütün dökümlerin % 75 i (ağırlık olarak) performans avantajı ve düşük maliyetleri nedeniyle gri dökme demirlerden yapılır. Gri dökme demirlerdeki lamel grafitler üstün aşınma direncini sağlayan sertlik seviyesindeki mükemmel işlenebilirlik, sınırlı yağlamalı sürtünme direnci ve titreşimi absorbe özelliği sağlar. Gri dökme demirler, basma dayanımı, boyutsal denge ve gerilim altında sehim verme gibi uygulamalar için çeliklerle mukayese edilebilir 2. 3.1. Ötektik Altı Gri Dökme Demirlerin Yavaş Soğutulması Şekil 3.1 referans alınarak ötektik altı (%3C-%2Si) bir gri dökme demirin yavaş katılaşması düşünülsün. Yavaş katılama (denge) şartları altında katı birincil ostenit dendritleri sıvı da nokta (1) (yaklaşık 1250 C) oluşmaya başlayacak ve nokta (2) de 1250 C ki ötektik katılaşma başlangıcına kadar sıvı içersindeki büyümeye devam edecektir. Daha sonra ötektik küçük bir sıcaklık aralığında [noktalar (2) ve (3)] katılaşacaktır. Bundan sonra alaşım birincil ostenit dendritlerinden ve ostenit-grafit ötektikten oluşacaktır. Solidüste ostenit yaklaşık %1.7 C la doymuştur. Şekil 3.1:Demir-grafit-silisyum denge diyagramının kesiti 2. 14
Solidüsün altındaki, (3) den (4) e yavaş soğuma ostenitten karbon atılması ve bu karbon atomlarının ötektikte bulunan grafitlerde çökelmesi gerçekleşir. Fazla karbon yaklaşık 800 C ötektoid sıcaklığa erişinceye kadar çökelmeye devam eder. Ötektoid aralığındaki [noktalar (4) den (5) e] soğuma ostenitin ferrite dönüşmesine ve fazla karbonun mevcut olan grafit lamelleri üzerine çökelmesine neden olur. Son mikroyapı birincil ostenit dendritlerinden kaynaklanan ferritik bölgelerden ve ostenit-grafit ötektikten kaynaklanan grafit lamellerinden oluşmuştur. Ticari dökme demirlerde katılaşama işlemi pek demir alaşım elementleri, katılaşma hızı ve kesit boyutu gibi değişkenlerden dolayı oldukça karmaşıktır 2. 3.2. Gri Dökme Demirin Mikro Yapısı Üzerine Kimyasal Kompozisyonun Etkisi Karbon ve silisyum gri dökme demirde ana alaşım elementleridir ve mikro yapı üzerine en büyük etkiye sahiptir. Buna karşın bütün elementler belli düzeyde mikroyapıyı etkiler grafit oluşumunu artıran elementler grafit kararlaştırıcı olarak adlandırılır. Silisyum kuvvetli bir kararlaştırıcıdır ve gri dökme demirde grafitleştirmeyi artıran en önemli bireysel kompozisyon faktörüdür. Grafitleşme; demirde serbest hale geçerek çökelmesi işlemidir. Fe 3 C Fe+C (grafit) Demir karbür oluşumunu teşvik eden diğer elementler karbür kararlaştırıcı olarak adlandırılır. Krom, mangan ve kükürt karbür kararlaştırıcı elementlerin örnekleridir 2. Karbon ve Silisyum Karbon ve silisyum her ikisi de gri dökme demirde grafit oluşumunu artırır ve bu nedenle bu elementlerin yüzdeleri artırıldığında Şekil 3.2 de gösterildiği gibi gri dökme demirin oluşumu teşvik edilmiş olacaktır. Silisyum ve karbon miktarı kritik seviyenin altına düşürülürse beyaz dökme demir oluşacaktır. Beyaz ve gri dökme demirlerden meydana gelen benekli dökme demir bir orta yapı olarak üretilebilir. Şekil 3.2: Karbon ve silisyum yüzdelerinin oluşan dökme tipi üzerine etkisi 2. 15
Karbon, gri dökme demirde grafit veya demir karbür olarak bulunabilir. Grafitleşme tamamlanırsa gri dökme demir ferritik matriksli grafit lamellerine sahip olacaktır. Buna karşın karbonun %0.5 ila %0.8 i demir karbür (Fe 3 C) olarak birleşirse dökme demirin matriksi perlitik olacaktır. Gri dökme demirde silisyum miktarı ağırlıkça %1-3.5 aralığındadır. Fe-C-Si alaşımında silisyum miktarı artırıldığında ötektik kompozisyon sola kayar (Şekil 2.8). Bu ötektik kayma aşağıdaki eşitlikle ifade edilebilir. % Ötektik karbon (Fe-C-Si alaşımı) = 4.3-0.33 x %Si (Alaşımda) Gri dökme demirlerin pek çok özelliği karbon eşdeğerliğine (K.E) bağlıdır. Karbon eşdeğerliği dökme demirdeki karbon ve silisyum miktarı alınarak aşağıdaki eşitlikle bulunur. Karbon eşdeğerliği = %C (demirde) + 1/3 %Si (demirde) İkili Fe-C sisteminin ötektik kompozisyonu %4.3 C olduğu için yaklaşık 4.3 karbon eşdeğerliği alaşımın yaklaşık olarak ötektik kompozisyonda olduğunu gösterir. Karbon eşdeğerliği %4.3 den daha az olan bir alaşımın ötektik altı bu oranın üzerinden olan alaşım ise ötektik üstüdür. Karbon eşdeğerliğine benzer bir kriterde de doymuşluk derecesi dir. Doymuşluk derecesi (D.D) = (Toplam C) / 4.3-!/3 (Si+P) D.D < 1 olduğunda alaşım ötektik altı, D.D= 1 olduğunda ötektik, D.D > 1 olduğunda ise alaşım ötektik üssüdür 2. Kükürt ve Mangan Kükürt belli bir düzeyde bütün dökme demirlerde bulunur. KGDD de küresel grafit oluşumunu sağlamak için ilave edilen magnezyumdan dolayı kükürt miktarı düşük tutulmalıdır. Buna karşın diğer dökme demirlerde kükürdün etkisi kükürt mangan reaksiyonuyla bağlantılı olarak düşünülebilir. Mangansız dökme demirlerde kükürt, demir sülfür (FeS) oluşturmak üzere demirle birleşecektir. FeS katılaşma sırasında tane sınırlarında toplanır (segregasyon). Dökme demirlerde mangan bulunursa kükürt katılaşma işlemi boyunca MnS ve karmaşık mangandemir-sülfatlar şeklinde çökelir. Sonuç olarak rastgele dağılmış açılı mangan sülfür parçacıkları oluşur. Bu parçacıklar ticari dökme demirlerin dökülebilirlik ve kullanım özellikleri üzerine çok az etkiye sahiptir. Dökme demirlerde kükürt ve manganın her ikisinin de tek başına etkisi grafit oluşumunu kısıtlamak ve perlit oluşumunu artırmaktır. Bu nedenle kükürt veya mangan tek başına her ikisi de karbür kararlaştırıcı elementlerdir. Buna karşın her ikisinin varlığı durumunda karbür kararlaştırma etkileri yoktur. Perlitik yapı isteniyorsa, örneğin dökme demirde MnS olarak kükürtle birleşmesi için gerekli olan miktarının üzerinde aşırı mangan ergimiş dökme demire ilave edilmelidir 2. Bahis konusu ilişkiyi ifade etmek için aşağıdaki ampirik ifadeler verilmektedir 3 : 16
1. %S x 1.7= %Mn olduğunda, MnS oluşumu için kimyasal açıdan yeterli Mn ve S vardır. 2. %S x 1.7 + 0.15= %Mn olduğunda maksimum ferrit ve minimum perlit oluşacaktır. 3. %S x 3 + 0.35= %Mn olduğunda perlitik bir mikro yapı oluşacaktır. Fosfor Yeterince fosfor içeren dökme demirler, özellikle gri dökme demirler demir-demirfosfat ötektiği (steadite) oluşturabilir. Düşük ergime noktasına sahip (954 ve 980 C arasında) steadite nispeten düşük bir sıcaklıkta katılaşır ve katılaşan hücre sınırlarında yerleşir. Pek çok dökme demir %0.2 seviyesinde, steadite üç hücrenin kesişme noktasında iç bükey üçgen şeklinde katılaşır. Yüksek fosfor seviyelerinde, steadite daha fazla oluşur. Demir fosfat sert ve kırılgan olduğu için bir dökme demirde steadite miktarındaki artış (örneğin %3 ün üzerinde P) sertlik ve kırılganlığı artırır ve işlenebilirliği azaltabilir. Buna karşın bu sert bileşik aşınma direncini artırır ve bu nedenle bileşiğin varlığı bazı uygulamalar için istenebilir 2. Fosforun etkisi ötektik karbon % sini veren bağıntı aşağıdaki gibi belirlenebilir Ötektik C % si = 4.3-1/3 (Si+P) 3.3. Katılaşma Sırasındaki Grafitleşme Gri dökme demirlerde, grafit lamellerinin şekil boyut ve dağılımı katılaşama esnasında oluşur. Grafit tip ve boyutları arasındaki farklılıklar incelenmiş ve ASTM ile AFS tarafından kabul edilen standartlarla belirlenmiştir (Şekil 3.3). Gri dökme demir yapısında genel olarak gelişi güzel yönlenmiş ve uniform dağılmış A tipi lameller tercih edilir. B tipi grafitler daha ziyade ferrit matriks içinde oluşan rozet grupları şeklinde ve gelişigüzel yönlenmiştir; yüksek mukavemet için iyi değildir. C tipi grafitler ötektiküstü bileşimde oluşur, termal şoka dayanıklıdır, ancak düşük mukavemet ve işlendikten sonra kaba yüzey verir. D tipi grafitler daha yüksek silisyum içerenlerde ve hızlı soğuma şartlarında oluşur. İyi işlenebilme özelliği vermesine karşılık, düşük mukavemet ve düşük aşınma direncine neden olur. Hücresel şekilde oluşan D tipi grafitlerin oluşumuna katılaşma esnasındaki aşırı soğumanın neden olduğu ileri sürülmektedir. Nihayet E tipi grafitlere daha çok karbon % si düşük ötektikaltı bileşimlerde rastlanır. Grafitler tercihli yönlenme gösterir 3. 3.4. Kesit Boyutları ve Grafit Tipi Grafit boyut, sayı ve dağılımındaki farklılıklar çekirdeklenme ve büyüme prensiplerine bağlı olarak gelişir. Çekirdeklenme hızı düşük olduğunda gelişi yönlenmiş iri lameller meydana gelir; bu durumda yayınma için bol vakit olduğundan grafitleşme kolayca oluşur. Yayınma ve grafitleşme için yeterli süre olacak şekildeki bir aşırı soğuma nedeniyle oluşan hızlı çekirdeklenme küçük lamellere sahip olur. Daha fazla aşırı soğuma ise çekirdeklenme ve grafitleşmeyi önleyebilir. Bu durumda beyaz dökme demir oluşur. Dolayısıyla bütün mikroyapılar ve grafit tipleri herhangi bir gri dökme demirde oluşabilir; bu dökme demirin katılaşama esnasındaki soğuma hızına ve/veya sonradan gördüğü işlemlere bağlıdır 3. 17
3.5. Aşırı Isınma Şekil 3.3 ASTM ve AFS gri dökme demirde grafit lamel tipleri 3. Gri dökme demir için aşırı ısınma: sıvı metalin 1510 C ın üstündeki sıcaklıklara ısıtılması demektir. Aşırı ısınmanın oluşu katılaşama süresinde aşırı soğumanın oluşma şansını da artırır. Grafit lamel boyutları küçülür ve aşırı ısıtma sonucu D ve E tipi grafitler oluşur. Uygun şekilde aşılanmadıkları takdirde ince kesitlerde beyaz ve benekli dökme demir yapısı görülebilir 3. 3.6. Aşılama (Inokülasyon) Aşılama belirli etkilerden faydalanmak için sıvı metale, bileşiminde önemli değişim meydana getirmeyecek şekilde yapılan ilavedir. Sıvı dökme demirin aşılanmasıyla grafit tipinde önemli değişim sağlanabilir. Örneğin ferrosilisyum veya bir başka grafitleştirici, %0.05 ila %0.25 gibi düşük % lerde ilave edilirse A tipi grafitlerin oluşumuna yol açar. Aşırı soğuma aşılama ile önlenmektedir. Bu, özellikle aşırı ısınmış dökme demire aşılayıcı ilave edildiğinde belli olur. Ergitme ve aşılama uygun yapıldığında istenen cinste (boyutta) A tipi grafitlerin elde edilmesi mümkündür 3. Bazı ticari aşılayıcıların bileşimleri Tablo 3.1 de verilmektedir: Tablo 3.1: Ticari aşılayıcılar 3. 18
3.7. Çil Kontrolü Gri dökme demirlerde grafitleşme kontrolü özellikle ergitme safhasında önde gelen bir problemdir. Çil testi, dökme demirde grafitleşme meylini bir dereceye kadar belirleyen bir yöntemdir. Test örneği kupol ağzından veya potadan alınan sıvı metalin maça kumundan bir kalıba dökülmesiyle elde edilir. Örneğin şeklinden dolayı bazı kısımlar daha çabuk soğur. Bu tür örnekler şekil 3.4 de verilmektedir. Bir yüzü çillenmiş (metal soğutucu) yassı çubuk (Şekil3.4.a) en çok kullanılan örneklerden biridir. 19
Şekil 3.4: Üç tip çil derinliği kontrol örneği 3. Örneklerde beyaz dökme demir olarak katılaşmış kısmın derinliği ölçülür. Çil derinliği bileşimle çok etkilenir, düşük C veya Si % leri daha derin bir çil oluşumuna yol açar. Çil derinliği ile karbon eşdeğerliği arasında ilişki şekil 3.5 de gösterilmektedir. Dökme demirlerde çil derinliği büyük ölçüde pota ilaveleri ve aşılayıcılar ile azaltılabilir 3. Şekil 3.5 Çil derinliği ile karbon eşdeğerliği arasındaki ilişkinin yaklaşık gösterilişi 3. 3.8. Katı Durumda Grafitleşme % 3.6 C ve % 2.1 Si içeren bir dökme demirin katılaşma olayı sonunda % 2 grafit şeklinde karbon vardır ve karbonun %1.5 i ise ostenit içinde erimiştir. Sıcaklık ötektoid sıcaklığına düşünce, yavaş bir soğuma olması şartıyla karbon, ostenitten grafit olarak dışarı atılır. Bu olaya katı halde grafitleşme tabir edilir. Karbonun atılması ostenit içinde % 0.6 karbon kalıncaya kadar devam eder. Bu atılan grafit mevcut lamellerin üzerine çöker. Ötektoid dönüşüm aralığında çok yavaş soğuma varsa ostenitte kalan %0.6 karbonun büyük kısmı yerine yine grafit halinde dışarı atılacak ve ostenit ferrite dönüşecektir. Pratikte genellikle yapıda belirli oranda perlit veya tamamen perlit görülür veya görülmesi istenir. Mangan ve kükürt arası denge sağlanmışsa döküm kum kalıpta da soğumuş olsa yine perlit yapısı kalıcı olur. Ostenitin ötektoid dönüşümü (ostenit perlit) şeklinde olur 3. 20
3.9. Gri Dökme Demirlerin Mekanik Özellikleri Gri dökme demirlerin mekanik özellikleri, kimyasal kompozisyon ve katılaşma hızının ortaklaşa etkilerinden kaynaklanmaktadır. Gri dökme demirin katılaşma hızı gri dökme demirdeki grafitin boyut, şekil ve dağılımını etkilemektedir. Katılaşmadan sonraki soğuma hızı ısıl işlemdekine benzer bir etkiye sahiptir. Bu nedenle elde edilen ferritik veya perlitik matris esas olarak katılaşmadan sonraki soğuma hızıyla belirlenir. Karbon ve silisyum dökme demirin mekanik özelliklerini belirleyen en önemli elementlerdir. Genelde karbon eşdeğerliği azaldığında gri dökme demirin dayanımı artar. Karbon eşdeğerliğinin ve kesit boyutunun gri dökme demirin çekme dayanımı üzerindeki etkisi şekil 3.6 da gösterilmiştir. Yaklaşık 344750 kpa ın üzerinde çekme dayanımı istendiğinde çok ince kesitler hariç, krom, nikel ve molibden ilavesine ihtiyaç vardır. Şekil 3.6: Karbon eşdeğerliğinin ve kesit alanının gri dökme demirin çekme dayanımı üzerine etkisi 2. Gri dökme demirin çekme dayanımını artırmak için hızlı soğuma ve temperleme ile ısıl işlemi yapılır. Ağ şeklindeki grafit lamellerinden dolayı düşük dayanıma sahip gri dökme demirin mikroyapısı şekil 3.7 de gösterilmiştir. Yüksek grafit içeriği kaba lamel oluşumuna neden olur ve dökme demirin dayanımını daha da azaltır. Gevrek grafit lamelleri matrisi zayıflatır ve çatlağı başlatmak için iç çentik etkisi yapmaktadır 2. 21
Şekil 3.7: Ötektik üstü kompozisyonlu bir gri dökme demirin mikroyapısı. Burada B tipi grafitler görülmektedir 2. Farklı karbon eşdeğerlerindeki farklı grafit lamel tiplerinin ve ostenitik dendritlerin mekanik özellikler üzerine etkisi Ruff ve Wallace tarafından araştırılmıştır. Bu araştırmacılar birincil ostenitik dendrit miktarını artırmakla gri dökme demirin dayanımını iyileştirmişlerdir. Karşılaştırılabilir dendrit miktarları ve benzer karbon eşdeğerliği şartları altında A tipi grafit yüzdesi fazla ve ince ötektik hücreler grafit lamelleri arasındaki etkin açıklığı azaltarak çekme dayanımı artmaktadır. Gri dökme demirlerin en iyi özellikleri büyük miktardaki uzun birincil ostenit dendritleri, hemen hemen %100 A tipi grafit inceltilmiş ötektik hücreler ve perlitik matriks kombinasyonu elde edilmiştir. Bu yapı az miktarda titanyum içeren sıvı alaşıma azot ilave edilerek elde edilmiştir 2. Aşınma Direnci: Gri dökme demirler kayma sürtünmesi tipi aşınmaya karşı önemli bir dirence sahiptir. Bu nedenle, içten yanmalı motorlardaki silindir boşlukları ve piston segmanlarının kayma yüzeyleri ve makine takımlarına kızak kanalları gibi kayma gerektiren uygulamalarında kullanılır. Gri dökme demirler grafit lamellerinin yağlayıcı etkisi ve yağın grafit tarafından tutulması ile açıklanan mükemmel aşınma ve yapışma direnci göstermektedir 2. İşlenebilirlik: Gri dökme demirler şekil 3.8 de gösterildiği gibi en iyi işlenebilir dökme demir alaşımlarıdır. Sağlam ve sert ince perlitik matrisler düşük hızlarda işlenir Buna karşın perlitik matrisli gri dökme demirler en iyi işlenebilirlik ve aşınma direnci kombinasyonuna sahiptir 2. Titreşim sönümleme kapasitesi: Sönümleme kapasitesi titreşimin neden olduğu enerjiyi absorbe (emme) ve bu nedenle de sönümleme yeteneği olarak tanımlanır. Özellikle lamel grafit yüzdesi fazla olan gri dökme demirler titreşimi şekil 3.9 da gösterildiği gibi hızla sönümler. Gri dökme demirin sönümleme kapasitesi bazı uygulamalar için büyük avantaj sağlar. Dişli kapakları, silindir blokları ve başlıkları gri dökme demirin sönümleme kapasitesinden faydalanılan bazı uygulama alanlarıdır 2. 22
Şekil 3.8: Gri dökme demirlerin işlenmesinde matriks mikroyapısı ve kesme hızının talaş kaldırma hacmi üzerine etkisi 2. Şekil 3.9:Demir esaslı malzemelerin nispi titreşim sönümleme yetenekleri, her çevrim için absorbe etme veya bunların belirli sönümleme kapasiteleri on kattan fazla değişiklik gösterebilir 2. 3.10. Gri Dökme Demirlere Uygulanan Isıl İşlemler Gri dökme demire çeliğe uygulanana benzer ısıl işlemlerle su verilebilir, temperlenebilir. Örneğin silindir laynerlerin aşınma direnci, sertliğin, sertleşme ve temperleme yoluyla 45-55 HRC değerine yükseltilmesiyle arttırılabilir. Isıl işlem yapmakla elde edilebilecek başlıca avantajlar; daha iyi işlenebilirlik, daha yüksek aşınma direnci ve mukavemet daha iyi boyutsal kararlılıktır 3. 23
3.10.1. Tavlama ve normalleştirme ısıl işlemleri Gri dökme demirlerin işlenebilirliğini iyileştirmek için genellikle tavlama veya normalleştirme işlemi uygulanır. Kritik sıcaklık altı tavlama 650-667 ºC sıcaklığa kadar ısıtıp bu sıcaklıkta 2 ila 4 saat tutmak ve yavaş soğutmakla gerçekleştirilir. Bu işlem esnasında perlitin küreleşmesi ve bir miktar grafitleşme oluşur. Tam tavlama ise kritik sıcaklığın üstüne üzerinde 900-930 ºC a kadar ısıtıp ve bu sıcaklıkta belirli bir süre tutarak, yavaş soğutmakla elde edilir; bu işlem sonunda grafitleşme tamamlanıp ve yumuşama olur, sertlik 120 ila 140 Brinell değerine iner. Metal kalıptan elde edilen dökümlere genellikle bu işlem uygulanır. Yüksek sıcaklıkta ısıtma ve havada soğutma şeklinde gerçekleştirilen normalleştirme ile yapıda saklanan perlit sayesinde tavlamaya nazaran daha yüksek mukavemet ve sertlik değeri elde edilir 3. 3.10.2. Su verme ve temperleme ısıl işlemi Su verme ve temperleme işlemi daha çok gri dökme demirlerin aşınma direncini arttırmak için uygulanır. Dökme demirin 850-930 ºC a ısıtılması %0.6-0.8 erimiş karbon içeren ostenitik bir yapının oluşmasına neden olur. Bu durumdan yağda veya suda su verme ile su verilmiş çelik sertliğinde martensitik bir yapı elde edilir. Su verilmiş dökme demirler istenen sertlik değerine göre değişik sıcaklıklarda temperlenirler. Sertleştirmeden sonra 430-530 ºC da temperleme ile optimum çekme mukavemeti değeri elde edilir (Şekil 3.10). Ancak hemen ilave etmek gerekir ki bütün parçaya su vermek yerine alevle veya endüksiyonla yüzey sertleştirme hemen her zaman tercih edilir; çünkü bir dökme demir parça yüksek sıcaklıktan ani soğutulduğunda çatlarlar 3. Şekil 3.10: Su verilmiş ve temperlenmiş bir düşük alaşımlı gri dökme demirde Brinell sertlik değeri ve çekme mukavemetinin temperleme sıcaklığı ile değişimi 3. Genellikle yüksek çekme mukavemet için su verme ve temperleme işlemi, parçaların çarpılma ve çatlama tehlikesi nedeniyle uygulanmaz. Yüksek çekme mukavemet için daha çok alaşımlandırma ve/veya ısıl işlem uygulanır. 24
3.10.3. Ostemperleme ve martemperleme ısıl işlemleri Özellikle gri dökme demirlerde su verme işleminin doğurduğu gerilimleri azaltmak için, oda sıcaklığının oldukça üstünde bir sıcaklıktaki ergimiş kurşun banyosu veya yağ, tuz banyolarında su verilip bu sıcaklıkta istenen yapı ve özelliklerin elde edilmesine kadar tutulur. Bu tür sıcak ortamda su verme işlemi temel olarak ikiye ayrılır: Ostemperleme ve Martemperleme. Ostemperleme işlemi sonunda gri dökme demirin matriksi esas olarak beynitten oluşur. Şekil 3.11 de görüldüğü gibi dökme demire dönüşüm sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta tutulan tuz, yağ veya kurşun banyosunda su verilir ve beynit dönüşümü tamamlanıncaya kadar bu sıcaklıkta tutulur. Su verme sıcaklığı 760-900 ºC, banyo sıcaklığı ise 230-425 ºC arasındadır 3. Şekil 3.11: Ostemperleme için bir örneğin şematik gösterimi 3. Tuz, yağ veya kurşun banyosunda tutma süresini etkileyen faktörler sıcaklık ve dökme demirin bileşimidir. Ostenit tane büyüklüğünün etkisi genellikle azdır, ancak bazı şartlar altında büyük önem taşıyabilir (Şekil 3.12). Bu arada dikkat edilmesi gereken husus nikel, krom, molibden gibi alaşım elementi ilavesinin dönüşüm için gerekli süreyi arttırdıklarıdır. Şekil 3.12: %3.75 T.C, %2.9 Si, %.55 Mn, %0.4 P ve %0.06 S içeren bir gri dökme demirin T.T.T (Sıcaklık, dönüşüm, zaman) eğrisi. Kesikli çizgiler iri tane, düz çizgi küçük taneye göstermektedir 3. 25
Martemperleme işlemi ise, martensit oluşumunu gerilim doğurmadan sağlamak için yapılır.şekil 3.13 den de görüldüğü gibi martemperleme için klasik su verme işlemine benzer şekilde ısıtılan döküm parçası martensitik dönüşüm sıcaklığının hemen üstündeki bir sıcaklıkta (205-260 ºC, alaşımsız olanlar için) tutulan tuz ve yağ banyosuna atılır ve bütün döküm parçası bu sıcaklığa erişinceye kadar banyoda tutulup, oda sıcaklığına soğutulur. Özellikle gri dökme demirden silindir laynerleri için bu işlem başarı ile uygulanmaktadır. Şekil 3.13: Martemperleme çevrimi için bir örneğin şematik gösterilişi 3. 3.10.4. Gerilim giderme ısıl işlemi Makine ile işlemede veya kullanma esnasında döküm parçasında zararlı boyut değişimleri olduğunda gerilim giderme işlemi gerekir, çünkü bu boyutsal değişimler döküm işleminden parçada kalmış artık gerilmeler sonucu olmaktadır. Herhangi bir metal dökümü gibi gri dökme demirde yüksek sıcaklıktan itibaren soğutulduktan sonra iç gerilmeler içerir. Bunun nedeni, değişik kesitlerdeki soğuma hızının hiçbir zaman aynı olmamasıdır.ayrıca kum kalıbın, döküm parçasının büzülmesine karşı direnci de iç gerilmelere neden olabilir. Bu iç gerilmelerin mertebesi döküm parçasının şekil ve boyutlarına, kullanılan döküm tekniğine ve malzemenin bileşimine bağlı olarak değişir. İç gerilmeleri gidermek için tavsiye edilen tavlama sıcaklıkları Tablo 3.2 de verilmektedir. Tablo 3.2: Gri dökme demirlere için tavsiye edilen gerilim giderme tavı sıcaklıkları Gri dökme demir tipi Gerilim giderme tavı sıcaklığı Alaşımsız 510-565 ºC Düşük alaşımlı 565-595 ºC Yüksek alaşımlı 595-650 ºC Gerilim giderme tavlaması tablo 3.2 deki sıcaklıklara yavaş olarak ısıtmak, bir saat veya daha fazla bu sıcaklıkta tutmak ve özellikle 300-200 ºC arasını 50 ºC/ saat hızda soğutmak şeklinde yapılır 3. 3.11. Gri Dökme Demirlerde Alaşım Elementleri 26
Gri dökme demirler, krom, bakır, nikel veya molibden gibi elementlerle alaşımlandırılabilirler. Alaşımlandırmanın etkisi başlıca mikroyapı, matriks, grafitleşme şekli ve mekanik özellikler üzerinde olmaktadır. Alaşım elementlerinin mikroyapı üzerindeki etkileri, bunların, karbür oluşturma meyillerine, ferrit içinde eriyip erimediklerine, grafit boyut ve dağılımını ne oranda değiştirdiklerine bağlı olarak gelişir. Cr, Mn, Mo gibi karbür oluşturucu elementler daha çok tamamen perlitik yapı elde etmek için kullanılırlar. Bu elementlerin alaşımlardaki % oranları artıkça, birleşik karbonu daha yüksek, daha sert ve mukavemetli perlit oluşur. Aynı elementlerin katılaşmada grafitleşmeyi etkileyecekleri açıktır; yanlış olarak fazla oranda kullanıldıklarında gri dökme demir yerine beyaz dökme demir yapısına neden olabilirler. Silisyum, nikel ve bakır ise mikroyapıda ferrit içinde erirler ve ferritin sertlik ve mukavemetini arttırırlar. Bu elementler aynı zamanda grafitleşmeyi teşvik ederler 3. - Krom, %0.15 ila 0.75 gibi küçük miktarlarda gri dökme demire ilave edildiğinde tamamen perlitik bir mikroyapı elde edilir. Birleşik karbon oranı %0.06 dan fazla olan bir perlitik yapı daha yüksek sertlik ve mukavemet sağlar. Yüksek mukavemet ve sertliğin yanında krom ilavesi gri dökme demire oksidasyon direnci özelliği de kazandırır; özellikle gri dökme demirin, oksidasyon veya tufal oluşumuna yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarında %1.50-2.00 Cr ilavesinin oksidasyona direnci arttırdığı tespit edilmiştir. Yüksek alaşımlılar ise %30 a kadar Cr içerebilirler; ancak bunlar beyaz dökme demirlerdir ve çok özel uygulama alanları vardır. -Molibden özellikle sertleştirmede efektif rol oynar, çünkü ostenitin ince perlit veya beynite dönüşümüne büyük ölçüde katkısı vardır. Molibden ve nikel beraber kullanıldıklarında bu açıdan çok daha yararlı sonuçlar alınır. Yaklaşık %0.5 molibden çekme mukavemetinde ~ 5 kg/cm 2 artış sağlar. -Nikel orta derecede bir grafitleştiricidir, ferrit içinde erir ve bu fazın sertleşmesine sebep olur. Yalnız başına kullanıldığında gri dökme demir yapısını elde etmek için gerekli silisyum miktarını azaltıcı rol oynar ve bu suretle grafit ve perlitik yapının da ince taneli oluşumunu sağlar. Diğer elementlerle beraber kullanıldığında oldukça değişik özellikler elde edilebilir. Daha yüksek oranlarda kullanıldığında gri dökme demir ostenitik veya martensitik bir yapıya sahip olur. Örneğin ticari adı Ni-Resist olan dökme demir bir ostenitik gri dökme demir olup daha çok kimya cihazları gibi yüksek korozyon direnci isteyen uygulamalarda kullanılır. Ayrıca, nikel, molibden ve krom ile alaşımlandırma döküm halinde martensitik bir yapı elde etmek için yapılır. -Bakır da nikel gibi orta derecede grafitleştirici bir elementtir ve ferrit fazında erir, aşınma korozyon direncini arttırmak için %3.0 oranına kadar kullanılır. -Silisyum dökme demirler için özel bir alaşım elementi olarak da kullanılır. %6 ila 8 Si içeren dökme demirlerin adi dökme demirlere karşı daha yüksek bir tufalleşme direnci gösterdikleri bilinmektedir. -Alüminyum alaşım elementi olarak kullanılmamakta beraber, kullanılan ferroalaşımlarda mevcut olduğundan, gri dökme demir özelliklerine etkisi vardır. Alüminyum düşük miktarlarda ~ %0.25 kuvvetli grafitleştirici, yüksek miktarlarda ise ~ %8.0 karbürleştirici bir etki gösterir. Son yıllarda oksidasyon direnci yüksek bir alaşım elde etmek için %12 ye kadar Al içeren dökme demirler üzerinde çalışılmıştır. 27
Nihayet Titanyum %0.05-0.25 gibi oranlarda kullanıldığında grafitleşmeyi teşvik eder ve grafit lamel boyutlarını küçültür, ancak bu oranların üstünde bulunduğunda, ısıl işlemle parçalanmayan çok stabl TiC oluşturur.bazı elementlerin çok az miktarlarda da olsalar gri dökme demirin çekme özelliklerine çok belirgin etkileri vardır. Bunlardan kalsiyum, silisyum, magnezyum, lantanyum, bor ve tellüryum kuvvetli karbürleştiricilerdir. Sert beyaz dökme demirden bir yüzey istendiğinde %0.05 B veya %0.005 Te ilavesi yapılabilir. Bu elementleri ihtiva eden alaşımlar sıvı metale, kalıba dökülmeden hemen evvel, ilave edilir (inokülasyon) 3.12. Gri Dökme Demirlerin Sınıflandırılması Gri dökme demirlerin Türk Standartlar Enstitüsü ne (TSE) göre sınıflandırması Tablo 3.3 de verilmektedir. DDL işareti (Dökme Demir Lamelli) anlamına gelmektedir. DDL işaretini takip eden sayılar ise minimum çekme mukavemetini gösterir. Örneğin DDL=10 çekme mukavemeti 10 kg/mm 2 olan lamel grafitli gri dökme demir demektir. Alman (DIN) normundaki gri dökme demirlerin sınıflandırılışı aynen TSE deki gibi, yalnız işaret DDL değil GG (Gusseisen mit Lamellengraphit=Grauguss) şeklindedir. Amerikan ASTM standardında gri ve lamel grafitli dökme demirler sınıflara ayrılmışlardır. (Class 20, 30, 40 v.b.) Sınıf numaraları p.s.i (lb/inç 2 ) olarak minimum çekme mukavemetini vermektedir. Örneğin Class 20 (σ) = çekme mukavemeti 20.000 p.s.i, Class 60 (σ = 60.000 p.s.i) gibi. ASTM e göre sınıflandırılmış gri dökme demirlerin bileşim ve mekanik özelliklerine ilişkin örnekler Tablo 3.4'de verilmektedir. Yine Amerikan SAE standartlarında gri dökme demirler numaralanarak sınıflandırılmıştır; bu sınıflandırmaya ait örnekler Tablo 3.5 de verilmektedir. Tablo 3.3: TSE ye göre gri dökme demirlerin sınıflandırılışı 3. 28
Tablo 3.4: ASTM e göre sınıflandırılan gri dökme demirlere ait tipik bileşim ve mekanik özellik örnekleri 3. 29
Tablo 3.5: SAE ye göre otomotiv endüstrisinde kullanılan gri dökme demirlerin mekanik özellikleri 3. 30