DÖKME DEMİRLER Prof. Dr. Sultan ÖZTÜRK KTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Prof. Dr. Sultan ÖZTÜRK
Dökme Demirlerin Tanımı Dökme demir, %2.11 ile %6.67 arası karbon içeren demir-karbon alaşımlarına verilen genel bir adlandırmadır. Çelikler de demirin karbonla alaşımlanması sonucunda elde ediliyor, fakat dökme demirden farklı olarak çelikler çok daha düşük miktarda karbon içerir (%2.11 den daha az). Dökme demirler her ne kadar demirin karbonla alaşımlanmasıyla elde ediliyor olsalar da, sanayide üretilen dökme demirler, alaşım içinde karbona ek olarak mutlaka yaklaşık %1 ila %3 arasında silisyum eklenmektedir. Bu açıdan bakıldığında, sanayide üretilen dökme demirler Fe-C-Si (demir, karbon ve silisyum) alaşımları olarak değerlendirilebilir. Karbon ve silisyuma ek olarak, dökme demirlerde sıklıkla gördüğümüz diğer elemenler arasında mangan ve az miktarda da olsa fosfor ve kükürt gösterebilir. 2
Dökme Demirlerin Sınıflandırılması Dökme demirler kompozisyonlarına göre sınıflandırabilir. Dökme demirin karbon eşdeğerine (%C + (%Si + %P)/3) bakılarak yapılan bu sınıflandırmaya göre; Ötektik altı dökme demir: Dökme demirin karbon eşdeğeri ötektik kompozisyonun (%4.3) altındaysa, bu dökme demirler ötektik altı ya da hipoötektik dökme demir olarak adlandırılır. Ötektik üstü dökme demir: Yukarıdaki tanımlamadan da anlaşılabileceği gibi, dökme demirin karbon eşdeğeri ötektik kompozisyonun (%4.3) üzerindeyse, bu dökme demirleri ötektik üstü ya da hiperötektik olarak isimlendirilir. Ötektik dökme demir: Dökme demir eğer tam olarak ötektik kompozisyona sahipse, yani karbon eşdeğeri %4.3 e eşitse, bu tür dökme demirleri ötektik olarak adlandırılır. Alaşımlı dökme demirler: Yukarıda bahsi geçen dökme demir türlerine ek olarak, farklı alaşım elementleri kullanılarak da dökme demirlerin farklı özelliklere sahip olması sağlanabilir. Bu tür dökme demirleri genel olarak alaşımlı dökme demirler adıyla sınıflandırılır. 3
Dökme Demirlerin Sınıflandırılması Katılaşma sonucunda karbon yapıdan ayrışmayı başarabilmişse (gri dökme demirlerde olduğu gibi), ortaya çıkan grafitin biçimsel özelliklerine göre ayrı bir sınıflandırma daha yapabilir: Gri (lamel grafitli) dökme demir: Eğer karbon, katmanlı bir grafit yapısı ortaya çıkartarak katılaşmışsa, bu tür dökme demirler gri ya da lamel grafitli dökme demirler olarak adlandırılır. Oksijen ve kükürtün nispeten yüksek olduğu alaşımlarda ortaya çıkan bu yapıyı, yüksek ısı iletkenliği nedeniyle fazla çekilme boşlukları olmaksızın katılaşmalarını tamamlarlar. Küresel grafitli dökme demir: Adından da anlaşılabileceği gibi, bu yapıda karbonun küresel şekle sahip grafit topları halinde ortaya çıktığını görüyoruz. Grafitin lamel değil de küresel bir yapı haline ayrışabilmesi için, sıvı içinde bulunan oksijen ve kükürtün belli bir seviyenin altına düşürülmesi gerekiyor. Bu nedenle küresel grafitli dökme demir üretirken, sıvı metali oksijen ve kükürtle çok hızlı tepkimeye girebilen magnezyumla işlemden geçirdikten sonra döküm işlemi gerçekleştirilir. 4
Dökme Demirlerin Sınıflandırılması Vermiküler grafitli dökme demir: Eğer küresel grafitli dökme demir üretimi sırasında uygulanan magnezyum işlemi yetersiz kalır da grafit tam olarak küreselleştirilemezse, ortaya vermiküler (ya da kompakt) adını verdiğimiz bu grafit yapısı ortaya çıkar. Lamel ve küresel grafit tipleri arasında bir geçiş formu olan vermiküler grafit, bir yandan küresel grafitin sağladığı yüksek mekanik özellikleri dökme demire sağlarken, aynı zamanda yüksek ısı iletkenliği sayesinde çekilme eğiliminin azalmasına da yol açmaktadır. Küresel grafitli dökme demir üretiminde karşılaşıldığı takdirde bir hata olarak değerlendirilen bu yapı, yukarıda bahsedilen avantajları nedeniyle birçok dökümhane tarafından bilinçli olarak da üretilir. 5
Dökme Demirlerin Sınıflandırılması Dökme demirlerin bir diğer sınıflandırma şekli de karbonun dökme demir yapısında ne şekilde bulunduğuna bakılarak sınıflandırma yapılabilir: Beyaz dökme demir: Tıpkı çaya atılan şeker gibi, karbon da sıvı demir içinde tamamen çözünmesi durumunda (sementit) beyaz dökme demir yapısı oluşur. Eğer dökme demir katılaşırken sıvı metal içinde çözünen karbon sıvı demirin içinden ayrışamaz da, tamamen yapıda çözünmüş olarak kalırsa, ortaya çıkan yapıya beyaz dökme demir adı verilir. Oldukça kırılgan bir yapıya sahip olan beyaz dökme demirler, kırıldıkları zaman parlak, beyaz bir renk sergiledikleri için beyaz dökme demir adıyla anılırlar. Gri dökme demir: Sıvı dökme demir katılaşırken, çayın içindeki şeker gibi sıvı metalde çözünmüş durumda bulunan karbon, katılaşma sırasında ayrı bir faz olarak ortaya çıkabilir. Bu tür bir yapıyı mikroskop altında incelediğimizde, karbonun grafit formunda, gözle görülebilen ayrı bir yapı olarak ayrışmış olduğunu görülür. Karbonun lamel, yani katmanlar halinde ortaya çıktığı bu yapı kırıldığı zaman ortaya mat ve gri bir renk çıktığı için, bu tür dökme demirler gri dökme demir olarak adlandırılır. 6
Dökme Demirlerin Sınıflandırılması Benekli (Alacalı) dökme demir: Beyaz dökme demirler hızlı soğuma koşullarında, gri dökme demirler ise nispeten daha yavaş soğuma koşullarında ortaya çıkıyor. Eğer dökülen parçanın soğuma hızı beyazdan griye geçişin gerçekleştiği bir aralığa denk gelirse, gri ve beyaz yapıların birlikte ortaya çıktığını görmemiz mümkün olabiliyor. Böyle bir parçayı kırdığımız zaman beyaz arka plan üzerinde gri adacıklar ortaya çıktığı için, bu dökme demirleri benekli (İngilizce: mottled) olarak isimlendirilir. Temper dökme demir: Bu dökme demir türü, aslında beyaz dökme demir olarak katılaştırılır. Yani karbon tamamıyla yapıda çözünmüş halde (sementit olarak) kalacak şekilde dökme demirin katılaşması sağlanıyor. Ardından, katılaşmış beyaz dökme demir ısıl işleme tabi tutularak, yapıda çözünmüş halde bulunan karbonun (sementitin grafite dönüşmesi)yapıdan ayrışması sağlanır. Bu ısıl işlem sonrasında, karbonun bozuk şekle sahip küreler halinde, kümelenmiş olarak ortaya çıktığını görülür. 7
8 Dökme Demirlerin Sınıflandırılması
Dökme Demirlerin Genel Özellikleri Aralarında farklılıklar oluşmakla birlikte beyaz dökme demir dışındaki dökme demirlerin genel özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir; Titreşim sönümleme kabiliyetleri yüksektir. Yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır. Yüzeylerinde tufal oluşmaz. Basma dayanımları çekme dayanımlarının 3 ile 5 katıdır. Korozyon dayanımları çeliklerden daha yüksektir. Aşınma dayanımları iyidir. Ergime sıcaklıkları çeliklerden daha düşüktür. Erimiş halde akışkanlıkları ve kalıp doldurma özellikleri daha iyidir. Kimyasal bileşim aralıkları geniş olmasına rağmen bir birine yakın özellikler elde edilir. Talaşlı imalat yöntemiyle işlenebilme kabiliyetleri yüksektir. Ergitme ve döküm işlemleri nispeten ucuzdur. Çeliklere uygulanan ısıl işlemler dökme demirlerede uygulanabilir. 9
Dökme Demirlerin Yapı Bişenleri Sıvı faz Graift Sementit Ferrit Perlit Steadit Ostenit Ledaburit 10
Dökme Demirlerin Yapı Bişenleri Sıvı Faz Diyagramda görülen sıvı faz, çözünmüş karbon içeren sıvı demirden meydana gelmektedir. δ-fe Demir ergimeden önce ortaya çıkan son katı fazdır. 1394 C üzerinde kararlı olan bu katı faz 1538 C üzerinde erimektedir. Bu faz, saf demir katılaştığında ilk ortaya çıkan katı faz olarak da değerlendirilir. γ-fe: Östenit Östenit, demirin yüksek sıcaklıkta kararlı yapısına verilen isimdir. Çok hızlı bir şekilde soğutulmadığı ya da alaşımda östenit yapıcı elementler bulunmadığı sürece, oda sıcaklığında demir ve çeliklerin yapısında bulunmaz. Paramanyetik özelliğe sahip olan östenit, yüzey merkezli kübik (YMK) yapı sergiler. 11
Dökme Demirlerin Yapı Bişenleri α-fe: Ferrit Demirin oda sıcaklığındaki kararlı yapıdaki halidir. Çok az miktarda da olsa karbon çözebilme becerisine sahip olan bu katı faz, 911 C üzerinde östenit adı verilen bir diğer katı faza dönüşür. Manyetik özelliğe sahip olan ferrit fazı, hacim merkezli kübik yapıya (HMK) sahiptir. Grafit Grafit, standart koşullar altında karbonun en kararlı formu olarak ortaya çıkıkmaktadır. Çelikler içerdikleri karbonu tamamen çözebildikleri için, grafit oluşumu bu malzemelerde görülmez. Fakat dökme demirlerde bulunan karbon, yapraksı (lamel), küresel ya da vermiküler grafit yapısına sahip olarak, ayrı bir faz halinde ayrışabiliyor. 12
Dökme Demirlerin Yapı Bişenleri Ledeburit Ledeburit de perlit gibi bir karışımdır ve östenit ve sementitin ortaya çıkardığı ötektik karışıma ledeburit adı verilir. Bu karışım genellikle dökme demirlerde ve yüksek karbonlu çeliklerde ortaya çıkar. Ledeburit içinde yer alan östenit bir yüksek sıcaklık fazı olduğu için, sıcaklık düştüğünde bu faz ledeburit-ii adı verilen bir karışıma dönüştüğü görülür. Bu dönüşmüş karışım içinde sementit doğal olarak kalır. Fakat buna ek olarak, östenitin dönüşmesi sonucunda ortaya çıkan ikincil bir sementit oluşumu da gözlemlenmez. Sonuç olarak, oda sıcaklığındaki ledeburit yapısı birincil ve ikincil sementite ek olarak perlitten oluşur. Sementit (Fe 3 C) Demir ve karbon atomlarından meydana gelen bu intermetalik bileşik, oda sıcaklığında yarı-kararlı bir halde bulunur. 650 700 C gibi bir sıcaklığa ısıtıldığı zaman, çok yavaş bir şekilde de olsa, demir ve grafite ayrışarak çözünebilir. 13
Dökme Demirlerin Yapı Bişenleri Perlit Perlit aslında bir faz değildir: Ferrit ve sementit fazlarının katmanlar halinde sıralanması sonucunda ortaya çıkan bir karışıma verilen isimdir. Bu karışımı hem çeliklerin, hem de dökme demirlerin yapısında görebilir. Steadit (Fe 3 P) Bir demir fosfür bileşiğidir. Ergime sıcaklığı 920-950 C arasındadır. Steadit geç katılaşmasından dolayı mikroyapıda, hücresel bir patern gösterir. Steadit diğer karbür fazları gibi çok kırılgan bir yapıya sahiptir. Mikroyapıda fazla oranda steadit bulunması dökme demiri sert ve kırılgan yapar. 14
Karbon Eşdeğeri Dökme demir, teorik olarak, saf demir ve saf karbonun aşılanmasıyla da elde edilebilir. Bu iki saf malzemenin alaşımlanmasıyla elde edilen bir dökme demirde ötektik kompozisyonun tam olarak %4.3 e denk gelmesi gerektiği denge faz diyagramından anlaşılır. Fakat dökümhanelerde üretilen dökme demirlerin kompozisyonlarına baktığımızda demir ve karbona ek olarak silisyum, mangan, fosfor, kükürt, nikel ve magnezyum gibi daha birçok elementin alaşımda bulunduğunu görüyoruz. Dökme demirin ötektik noktasını değerlendirirken, kaçınılmaz olarak bu elementlerin de dikkate alınması gerekir. 15
Karbon Eşdeğeri Bir dökme demir kompozisyonunun, ötektik noktaya kıyasla nerede bulunduğunu değerlendirmek için, karbon eşdeğeri adı verilen bir kavramdan faydalanılır. Karbon eşdeğeri kavramı: Alaşımda bulunan bazı elementler, dökme demirin sıvılaşma (likidüs) sıcaklığını, dolayısıyla da ötektik noktanın konumunu tıpkı karbon gibi etkileyebiliyor. En dikkate değer etkiyi yaratan elementler ise silisyum ve fosfordur. Her iki element de ötektik noktanın denge faz diyagramı üzerinde bir miktar sola doğru kaymasına yol açıyor. Diğer bir deyişle, ötektiğin içerdiği karbon miktarının azalmasına sebebiyet veriyorlar. Silisyum, örneğin, sıvılaşma (likidüs) sıcaklığı üzerinde karbona kıyasla 1/4 oranında bir etki yaratırken, fosfor karbonun yarattığı etkinin yarısı kadar bir etki ortaya çıkartıyor. Yani, dökme demirdeki silisyum miktarını %0.8 arttırmak, aslında karbon miktarını %0.2 arttırmakla aynı işeleme denk gelmektedir. Benzer şekilde, fosfor miktarını %0.04 arttırdığımız zaman, sıvılaşma sıcaklığı sanki karbon %0.02 artmış gibi etkilenir. 16
Karbon Eşdeğerinin Önemi Kompozisyonun ötektik noktadan ne kadar uzakta olduğunu bilmemiz, birçok döküm hatasından korunabilmemiz için büyük önem taşımaktadır. Örneğin karbon eşdeğerini doğru analiz edemez de ötektik üstü (hiperötektik) bir kompozisyon dökerseniz, küresel grafitli dökme demirde karbon yüzmesi sorununa ortaya çıkabilir, lamel grafitli dökme demirde ise kiş (Kish) grafit (C tipi grafit) oluşumunu tetikleyerek, işlem sonunda malzemenin pürüzlü bir yüzey sergilemesine yol açabilir. 17
Karbon Eşdeğerinin Hesaplanması Karbon eşdeğeri iki farklı eşitlikle tanımlanır. Bunlardan ilki ve belki daha yaygın olarak bilineni, hem silisyumun, hem de fosforun üçte birini dikkate alarak bir değerlendirme yapıyor. CE = %C + %Si + %P 3 Bu eşitlikten farklı olarak, sıvılaşma karbon eşdeğeri (CEL; carbon equivalent liquidus) adını verilen bir eşitlik daha mevcuttur: CEL = %C + %Si 4 + %P 2 18
Karbon Eşdeğerinin Hesaplanması Bu ikinci eşitlik ile hesaplanan değer ile sıvılaşma (likidüs) sıcaklığı arasında doğrusal bir ilişki bulunuyor. Dolayısıyla dökme demirin sıvılaşma sıcaklığını ölçerek, karbon eşdeğerini kesin bir doğrulukla tayin etmemiz mümkün olabilir. Aşağıdaki şekil üzerinde, karbon eşdeğeri ve sıvılaşma sıcaklığı arasında ilişki açık bir şekilde gösteriliyor. Sıvılaşma sıcaklığı soğuma eğrisi üzerindeki birinci büküm noktasında kendisini gösterdiği için, karbon eşdeğerinin yüksek bir hassasiyetle tayin edilebilmesine olanak sağlıyor. 19
Karbon Eşdeğerinin Bulunmasında Kimyasal Yöntem Karbon eşdeğeri kimyasal analiz yöntemiyle (spektrometre gibi) hesaplandığında dökümcüleri yanıltabilir. Bunun başlıca nedeni, teknik literatürde de görülebileceği üzere, ötektik noktanın alaşımda bulunan ve yukarıdaki eşitlikte yer almayan birçok farklı elementten az da olsa etkilenebiliyor olmasıdır. Bunun yanında, ötektik noktanın parçanın soğuma hızına bağlı olarak da bir miktar değişebildiğini biliyoruz (demir-karbon denge faz diyagramının sadece denge koşulları için geçerli olduğunu unutmamakta fayda var). Kimyasal analiz ile hesaplanan karbon eşdeğeri, bu gibi etkileri dikkate almadığı gibi, grafit ayrışması olması durumunda da hatalı sonuçlar vererek dökümcüleri yanıltabilir. Bu nedenle, özellikle ötektik noktaya yakın kompozisyonları dökerken, karbon eşdeğerinin sıvılaşma sıcaklığı üzerinden tayin edilmesi, dökümcülerin kompozisyona bağlı hataların önüne geçebilmeleri açısından büyük önem taşır. 20
Lamel (Gri) Grafitli Dökme Demirler Katılaştıktan sonra bileşimindeki karbonun büyük bir kısmı serbest grafit yaprakları (lamel-pul) halinde bulunan bir dökme demir çeşididir. Kırıldığı zaman yüzeyi isli gri görünüşlüdür. Grafitten dolayı rengi esmer olan bu dökme demire lamel grafitli dökme demir veya gri dökme demir denir. Bileşiminde yaklaşık olarak %2,5-5 arasında C ve %0,8-3 arasında Si içeren lamel grafitli dökme demirlerde grafit yaprakları şeklinde ortaya çıkan lamel grafitler hem yük taşıyan kesitlerin küçülmesi hem de çentik etkisi yaratmasından dolayı dayanımları düşüktür. Lamel grafitli dökme demir mikroskopla incelendiğinde, yapısı içinde dağılmış grafit yaprakları görülür. Bu grafit yapraklar, kalın kesitli döküm parçaların yapısında gözle bile görülebilir özelliktedir. Lamel grafitli dökme demir mikroskopla incelendiğinde görülen yapı şekilde gösterilmiştir. 21
Lamel (Gri) Grafitli Dökme Demirler Ferrit Lamel Grafit Perlit 22
Lamel Grafitli Dökmirde Bulunan Alaşım Elemetleri Lamel grafitli dökme demir, aslında sadece demir ve karbonun alaşımlanmasıyla elde edilebiliyor. Fakat sanayide dökülen dökme demirlere baktığımızda, yapıda bu iki element dışında birçok farklı element de bulunmaktadır. Silisyum (Si): Silisyum, sıvı dökme demirin akışkanlığını arttırdığı gibi, karbon eşdeğeri üzerinde önemli bir etki yarattığı için alaşımın katılaşma sürecini de etkiler. Kükürt (S): Silisyumun aksine kükürt kuvvetli bir karbür yapıcı etkiye sahiptir. Lamel grafitli dökme demirlerde yaklaşık %0.06 %0.18 aralığında bulunabilen kükürt, daha yüksek olması durumunda aynı zamanda demirle birleşerek FeS bileşiğinin sert ve kırılgan bir yapıya sahip olan beyaz dökme demir oluşumunu tetikleyebiliyor. Düşük erime noktasına sahip olan bu bileşiğin, yüksek sıcaklıkta çalışması gereken parçalarda çatlak oluşmasına yol açabilmesi nedeniyle, dökme demirin yapısında bulunması tercih edilmez. 23
Lamel Grafitli Dökmirde Bulunan Alaşım Elemetleri Mangan (Mn): Manganın, tıpkı nikel gibi, oldukça kuvvetli bir östenit yapıcı etkisi vardır. Genellikle yapıda düşük miktarda bulunan mangan, fazla olması durumunda birincil grafitleşmeyi de bir derece erteleyebiliyor. Yukarıda da bahsettiğimiz gibi mangan, esas olarak yapıda bulunan kükürtün olumsuz etkilerini ortadan kaldırması için eklenir. Kükürtü dengeleyecek miktarın üzerinde mangan eklenmesi durumunda yapıdaki karbür miktarında artış gözlendiği görülebilir. Fosfor (P): Fosfor bir yandan sıvının akışkanlığını arttırıken, aynı zamanda ötektik katılaşma aralığını da genişletecek şekilde bir etki ortaya çıkartıyor. Fakat fosfor ne kadar yüksekse o kadar iyi anlamına da gelmez. Fosfor, demirle birleşerek demir fosfür (Fe 3 P) bileşiğini oluşturabilir. Oluşan bu bileşik, sementit ve östenitle üçlü bir ötektik oluşturup, steadit (İngilzce: steadite) adını verdiğimiz, kırılgan yapıya sahip bir fazın ortaya çıkmasına yol açabilir. 24
Lamel Grafitli Dökmirde Bulunan Alaşım Elemetleri Nikel (Ni): Nikel de dökme demirin yapısında bulunan önemli elementlerden bir tanesidir. Hem perlit yapısını, hem de grafit yapısını inceltici bir etkiye sahip olan nikel, dökme demirin tokluğunu arttırdığı gibi, farklı kesitler arasındaki sertlik farklarını da ortadan kaldırıyor. Kuvvetli bir östenit yapıcı olan nikel, yüksek oranda eklendiğinde dökme demirin östenitik yapıda katılaşmasını sağlıyor. Krom (Cr): Kuvvetli bir karbür yapıcı olan krom, az miktarda eklendiğinde bile yapıdaki grafit miktarını azaltıp, çil oluşumunu tetikleyecek bir etki yaratabilir. Bakır (Cu): Sıvı dökme demir içine ocakta ya da potada %0.5 %2.5 oranında eklenen bakır çili azalttığı gibi, grafit yapısını incelten ve sıvının akışkanlığını arttıran bir etki de bulunur. 25
Lamel Grafitli Dökmirde Bulunan Alaşım Elemetleri Molibden (Mo): Karbür yapıcı bir etkisi olan molibden, aynı zamanda hem grafit yapısını, hem de perlitik yapıyı inceltici bir etki ortaya çıkartıyor. Dökme demirlere %0.3 %1 aralığında eklenen molibden, genellikle alaşımın sertliğini arttırmak için bakır, nikel ve krom ile birlikte kullanılıyor. Vanadyum (V): Karbür yapıcı bir etkisi olan vanadyum, dökme demirin sertliğini ve aşınma direncini arttırmak için %0.15 %0.5 oranında eklenebilir. 26
Lamel Grafitli Dökme Demirde Grafit Tipleri Enerji tasarrufu nedeniyle parça ağırlığının azaltılması yönünde bir eğilimin olduğu günümüzde, dökülen parçanın tüm kesitlerinde mekanik özelliklerin istenilen değerleri sağlayabilmesi gerekir. Bu nedenle kullanıcılar, ağırlığı azaltacak şekilde tasarlanmış bir parçadaki grafit tipinin mümkün olduğunca homojen olması konusunda oldukça ısrarcı olabiliyorlar. Dökülen parçanın kritik bir bölgesinde istenmeyen bir grafit tipinin ortaya çıkması, parçanın mekanik özelliklerinde ciddi bir gerilemeye yol açabilir. Bu nedenle kullanıcıların siparişlerinde sadece GG-25 şeklinde dökülecek dökme demirin türünü değil, ayrıca grafit tipini de net bir şekilde belirttikleri görülebilir. 27
Lamel Grafitli Dökme Demirde Grafit Tipleri DIN EN ISO 945-1 standardına göre, lamel grafitli dökme demirde karşımıza çıkan grafit tipleri A, B, C, D ve E olmak üzere beş ana gruba ayrılır: A tipi grafit: A tipi grafit, yapıda homojen olarak dağılmış ve rastgele yönelmiş yapraklar halinde ortaya çıkar. Soğuma hızının çok yüksek olmadığı ve doğru bir şekilde aşılanmış dökme demirlerde grafitin A tipine sahip şekilde oluştuğu görülür. Bu nedenle, bu grafit türünün ortaya çıktığı dökme demirlerde aşırı soğumanın da oldukça düşük seviyelerde olduğu gözlemlenir. A-tipi grafitin, sağladığı yüksek mekanik özellikler nedeniyle, çoğu durumda dökme demirin yapısında istenen grafit tipi olduğunu söyleyebilir. 28
Lamel Grafitli Dökme Demirde Grafit Tipleri B tipi grafit: Çiçeksi grafit (rosette graphite) adı da verilen bu grafit tipi, ötektik kompozisyona sahip dökme demirlerde, A tipi grafite kıyasla biraz daha fazla aşırı soğumanın gerçekleştiği durumlarda ortaya çıkar. Nispeten hızlı soğuma koşullarında ortaya çıkan bu grafit tipini, genellikle ince kesitlerde ya da kalın kesitli parçaların yüzeyine yakın bölgelerde görülür. Zaman zaman, aşılamanın verimsiz olduğu durumlarda da B tipi grafit oluşabilir. 29
Lamel Grafitli Dökme Demirde Grafit Tipleri C tipi grafit: Kiş grafit (kish graphite) adı da verilen C tipi, sadece karbon eşdeğerinin çok yüksek olduğu, ötektik üstü (hiperötektik) dökme demirlerde ortaya çıkar. Birincil katılaşma sırasında çökelen bu grafit tipi oluşurken, yine oldukça düşük miktarlarda aşırı soğuma gerekmektedir. Büyük ve kalın tabaka yapısına sahip bu grafit türü dökme demirin mekanik özelliklerini olumsuz şekilde etkilediği gibi, işleme sonrasında pürüzlü bir yüzey oluşmasına da neden olabilir. Grafit miktarının fazla olması nedeniyle dökme demire yüksek ısı iletkenliği sağlayan bu grafit tipi, bu özelliği nedeniyle yüksek ısı iletimi istenen uygulamalarda tercih edilir. 30
Lamel Grafitli Dökme Demirde Grafit Tipleri D tipi ve E tipi grafit: Her iki grafit yapısı da, karbür (sementit) oluşturacak derecede olmasa da, aşırı soğumanın nispeten fazla olduğu durumlarda ortaya çıkar. Dendritler arası bölgede kümelenmiş şekilde gözlemlediğimiz bu grafit yaprakları, D tipinde rastgele yönelime sahip olarak, E tipinde ise belli bir doğrultuda yönlenmiş olarak bulunuyorlar. Dökme demir yapısında fazla alüminyum ya da titanyum bulunmasının bu grafit tiplerinin oluşumuna yardımcı olduğunu biliyoruz. Bu kadar ince ve dallanmış grafit yaprakları oluştuğu zaman karbonun difüzyon mesafeleri kısıtlandığı için, bu grafit tipleri ortaya çıktığında matrisin genellikle sadece ferrit yapısı sergilediği görülür. Bu grafit tiplerini her ne kadar ayrı ayrı tanımlamış olsak da, dökülen parçanın tüm kesitlerinde A tipi grafitin elde edilmesinin oldukça zor olduğu ve özellikle ince kesitli parçalarda D ve E tipi grafit A tipiyle birlikte bulunabilir. 31
Lamel Grafitli Dökme Demirin Aşılanması Soğuma hızının yüksek ve grafit ayrışması için gerekli çekirdeklenme koşullarının zayıf olduğu durumularda yarı-kararlı sistem olarak da adlandırılan beyaz dökme demir yapısı oluşurken, yavaş soğuma koşullarında ve grafitin kolay ayrışabildiği durumlarda, kararlı sistem olarak da adlandırılan gri dökme demir yapısı ortaya çıkıyor. Lamel grafitli (gri) dökme demir üretirken, çil adı da verilen sert ve kırılgan beyaz dökme demir yapısından kesinlikle kaçınmak istenir. Bu nedenle, özellikle ince kesit kalınlığına sahip parçalarda soğuma hızı nispeten yüksek olacağı için, grafitin kolayca ayrışmasına olanak sağlayacak bir müdahele de bulunmamız gerekir. Ayrıca, grafitin sadece ayrışmasını sağlamış olmak da yeterli olmayacaktır. Ayrışan grafit yapraklarının biçimsel özellikleri konusunda da bazı kısıtlamalar vardır: Mekanik özellikleri optimize edebilmek için, grafit yapraklarının A-tipi adını verdiğimiz biçimde ayrışmasını isteriz. 32
Lamel Grafitli Dökme Demirin Aşılanması Dökme demirlerin mikroyapısını kontrol altına alıp, istediğimiz mekanik özellikleri sergileyebilmelerini sağlamak amacıyla, aşılama adını verdiğimiz bir işlem uyguluyoruz. Aşılama için genellikle, ağırlıklı olarak FeSi dan oluşan ve bazı farklı elementleri de içeren (Ca, Ba, Sr, Zr, Al ve nadir toprak elementleri gibi) bir toz karışımı kullanıyoruz. Döküm öncesinde bu karışımı sıvı metal içine eklediğimizde, eğer aşılamayı doğru bir şekilde yapmışsak, dökülen parçanın tüm kesitlerinde yüksek oranda A- tipi grafit oluştuğunu görebiliyoruz. Bunun sonucu olarak da sadece mekanik özellikler iyileşmekle kalmıyor, aynı zamanda parçanın işlenebilirliği de artar. 33
Lamel Grafitli Dökme Demirin Aşılanması Dökme demirlerin mikroyapısını kontrol altına alıp, istenilen mekanik özellikleri sergileyebilmelerini sağlamak amacıyla, aşılama adını verdiğimiz bir işlem uygulanır. Aşılama için genellikle, ağırlıklı olarak FeSi den oluşan ve bazı farklı elementleri de içeren (Ca, Ba, Sr, Zr, Al ve nadir toprak elementeri gibi) bir toz karışımı kullanılır. Döküm öncesinde bu karışımı sıvı metal içine eklediğimizde, eğer aşılamayı doğru bir şekilde yapmışsa, dökülen parçanın tüm kesitlerinde yüksek oranda A-tipi grafit oluştuğunu görebilir. Bunun sonucu olarak da sadece mekanik özellikler iyileşmekle kalmıyor, aynı zamanda parçanın işlenebilirliği de artırılır. 34
Aşılama İşlemi Aşı karışımında bulunan Ca, Ba, Sr ve Al gibi elementler, öncelikle sıvıda bulunan serbest oksijenle birleşerek oksit inklüzyonları oluşturur. Ardından, oluşan bu oksit inklüzyonlarının üzerine ikinci bir katman halinde, Mn (X) S sülfit bileşiği çökelir. İşte oluşan bu sülfit parçacıkları, grafitin üzerinde çekirdeklenebileceği uygun yüzey koşullarını sağlar. Yani grafit, bu sülfit parçacıklarının üzerinde çekirdekleniyor. Aşı karşımında bulunan silisyum da, kuvvetli bir grafit yapıcı element olması nedeniyle grafitin sıvıdan ayrışmasını kolaylaştırabilir. Fakat aşılamanın verimini, esas olarak karışımda bulunan diğer oksit yapıcı elementler artırır. 35
Aşılama İşlemi Bu açıklamadan da anlaşılabileceği üzere, sıvı içine atılan aşının etkinlik gösterebilmesi için mutlaka sıvı içinde serbest oksijen ve bir miktar kükürt bulunması gerekiyor. Ayrıca, sülfit bileşiğinin oluşabilmesi için mutlaka bir miktar mangana da ihtiyaç duyulur. Dökme demirin çok temiz olması durumunda, yani oksijen ve kükürt seviyelerinin çok düşük olması durumunda, aşılama etkinlik gösteremez. Literatürde, sıvıdaki kükürt seviyesinin %0.03 ün altına düşmesi durumunda, A-tipi grafit oluşmasının çok zor bir hale geldiğini görüyoruz. Bu yüzden A-tipi grafit elde edebilmek için sıvıda mutlaka bir miktar serbest oksijen ve kükürt bulunması, ve bu kükürtü dengeleyecek manganın da kompozisyonda olması gerekiyor. 36
Lamel Grafitli Dökme Demirlerin Isıl İşlemleri Dökme demirin çekmesi az olduğu halde döküldükten sonra çatlama hataları olabilir. Dökülen parçalarda çatlama olmasa bile soğumanın dengeli olmamasından dolayı ve çekmenin değişik yönlerde olması ile içyapıda gerilmeler oluşur. Bu gerilmeler fazla olduğu zaman hafif bir zorlama veya darbe neticesinde parça çatlayabilir. Önemli yerlerde kullanılacak parçalarda bu tehlikeyi önlemek için döküm parçaya ısıl işlem uygulanır. Kır dökme demirinin ısıl işlemi çeşitli tav fırınlarında yapılır. Genellikle parçalar fırına konulduktan sonra fırın sıcaklığı yavaş yavaş 550 650 C ye kadar yükseltilir. Bu sıcaklıkta, parçanın kesit kalınlığına ve büyüklüğüne göre belli bir zaman tutulduktan sonra, yavaş soğumaya bırakılır. Isıl işleme tabi tutulan kır dökme demirin işlenebilme özelliği, aşınmaya dayanımı ve çekme dayanımı artar. Bu özellikleri için Lamel grafitli dökme demir çeşitli yöntemlerle tavlanır. 550-650 C 37
Lamel Grafitli Dökme Demirlerin Isıl İşlemleri İşlenebilme Özelliğini Arttırmak Isıl işlem uygulamak lamel grafitli dökme demiri yumuşatır ve işlenebilme özelliğini artırır. Döküm parça 650 C de 24 saat tutulup yavaş yavaş soğutulur. Perlitin küreleşmesi ve bir miktar grafitleşme bu sırada oluşur. Tam olarak tavlama 900 C sıcaklıkta tutmak ve soğutmakla gerçekleşir. Bu işleme tabi tutulan dökme demirin yapısı tamamen grafitleşir ve 120-140 Brinell sertliğine kadar yumuşar. Aşınma Dayanımını Arttırmak Dökme demirde sertleştirme ve tavlama, aşınma direncini arttırmak için yapılır. Döküm parçayı 850 880 C ye kadar tavladıktan sonra su verilirse dökme demir yapısı çelik gibi sertleşir. Yalnız bu işlem sonunda oluşan iç gerilmeleri gidermek için, tavlama yapmak gerekir. 38
Lamel Grafitli Dökme Demirlerin Isıl İşlemleri Çekme Dayanımını Arttırmak Bazen sertleştirme ve tavlama en büyük çekme dayanımını oluşturmak için yapılabilir. Bunun için dökme demir parça 800 900 C ye kadar tavlanır ve en yüksek çekme dayanımı elde edilir. Fakat su verilerek sertleştirilmiş birçok dökme demir kırılgan olur. Bu nedenle çekme dayanımı için uygulamalar her zaman yapılmaz. 39
Lamel Grafitli Dökme Demirlerin Genel Özellikleri Basma mukavemeti çekme mukavemetinden 3-5 kat daha fazladır. Burulma mukavemeti çekme mukavemetinin 1,2-1,4 kat daha yüksektir. Elastisite modülü iç yapıya göre değişmekle beraber incegrafitli ve perlitik mikroyapıya sahip dökme demirin elastisite modülü daha yüksektir. Kesme mukavemeti çekme mukavemetinin 1-1,6 katı daha yüksektir. Yorulma mukavemeti çekme mukavemetinin %35-50 arasında değişir. Çekme mukavemeti değeri ise sertlik değerinin %10 civarındadır. Aşınma dayanımları yüksektir. Bu nedenle piston halkaları, silindir kovanları gibi eş çalışan parçaların imalatında kullanılabilir. 40
Lamel Grafitli Dökme Demirlerin Genel Özellikleri Dökme demirler arasında en yüksek işlenebilme kabiliyetine sahip olan dökme demir türüdür. Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılabilir. Titreşim sönümleme kabiliyetleri yüksektir. bu nedenle takım tezgahı gövdeleri, içten yanmalı motor gövdeleri bu alaşımlardan imal edilir. Korozyon direnci kullanım alanına göre farklılık gösterir. Kanalizasyon ve boru uygulamalarında yaygın olarak kullanılılabilir. Elektirik dirençleri yüksek olduğundan direnç malzemesi olarak tercih edilebilir. 41
Beyaz Dökme Demirler Karbonun sıvı demir içinde tamamen çözünmesi sonucu (sementit oluşması) oluşan yapı beyaz dökme demir olarak adlandırılır. Eğer dökme demir katılaşırken sıvı içinde çözünen karbon sıvı demirin içinden ayrışamaz da, tamamen yapıda çözünmüş olarak kalırsa, ortaya çıkan yapıya beyaz dökme demir adı verilir. Oldukça kırılgan bir yapıya sahip olan beyaz dökme demirler, kırıldıkları zaman parlak, beyaz bir renk sergiledikleri için beyaz dökme demir adıyla bilinir. Bileşimlerinde genellikle % 1,8-3,6 C ve % 0,5-1,9 Si bulunur. 42
Beyaz Dökme Demirlerin Üretimi Tüm beyaz dökme demirlerin ötektik altı kompozisyona sahiptir, yani karbon eşdeğerleri 4.3 ten küçüktür. Karbon eşdeğerinin yüksek olduğu durumlarda karbonun yapıdan ayrışmadan kalması mümkün olmadığı için, beyaz dökme demir bu tür dökme demirlerin yapısında pek görülmez. Beyaz dökme demir, aslında çeliğe benzer bir yapı sergiler. Çelik üretiminde de demir karbonla alaşımlanır. Fakat çelik üretiminde demir içinde bulunan karbon miktarı çok düşük olduğu için, bu karbon katılaşma sırasında yapıdan ayrışmaz ve çözünmüş olarak yapı içerisnde kalır. Beyaz dökme demirde de benzer bir durum söz konusudur. Fakat dökme demirlerin içerdiği karbon miktarı çeliklere kıyasla çok daha yüksek olduğu için, sıvı fazda çözünmüş olarak bulunan karbonun çökelmesine fırsat vermeden malzemeyi katılaştırmak gerekiyor. Bunun için de ya malzemeyi hızlı soğutmak, ya da grafitin üzerinde çekirdeklenebileceği yüzeyleri sıvıdan uzak tutmak gerekiyor. 43
Beyaz Dökme Demirlerin Üretimi Aşağıdaki diyagram üzerinde x 1 ile gösterilen bir dökme demir alaşımı hazırladığımızı düşünelim. Kompozisyon eksenine göre, malzemenin yaklaşık %3 civarında karbon içerdiğini görülür. Yine diyagram üzerinde gösterildiği gibi, sıvı dökme demirin yaklaşık 1450 C civarına ısıtıldığını ve sıvı fazda beklediğini varsayalım. Bu durumda, karbon sıvı içinde tamamen çözünmüş olarak bulunuyor. 44
Beyaz Dökme Demirlerin Üretimi Alaşımı bir kalıba döküp soğumaya bırakıldığında, sıcaklık sırasıyla x 2, x 3 ve x 4 noktalarını takip ederek oda sıcaklığına ulaşır. Sıcaklık ilk olarak x 2 noktasına geldiği zaman, yaklaşık %1 karbon içeren östenit kristallerinin çekirdeklenmesiyle katılaşma başlar. Fakat, ilk başta sıvıda yaklaşık %3 oranında karbon olduğu biliniyordu. Katılaşan ilk östenit kristalleri daha düşük miktarda (~%1) karbon içerdiği için, geriye kalan fazladan karbonun sıvıda birikmesi gerekir. Diğer bir deyişle, sıvıdaki karbon miktarı soğuma devam ettikçe artar. 45
Beyaz Dökme Demirlerin Üretimi Sıcaklık x 3 ile gösterilen noktanın hemen üzerine geldiğinde, kalıp içindeki yaklaşık %2 oranında karbon içeren östenit dendritleri ile %4.3 oranında karbon içeren sıvı bulunur. Sıvıdaki karbon miktarının artmasının nedeni, yukarıda da belirttiğimiz gibi, östenit içinden atılan karbonun sürekli sıvı içinde birikiyor olmasıdır. 46
Beyaz Dökme Demirlerin Üretimi Sıcaklık x 3 ile gösterilen ötektik sıcaklığa geldiğinde, östenit kristalleri arasında kalan sıvı, ötektik tepkime sonucunda sementit fazına dönüşür. Östenit ve sementit fazlarının karışmış halde bulunduğu bu katı yapıya metalurjide ledebürit adını veriyoruz. Buradaki kritik nokta, bu dönüşüm gerçekleşirken sıvı içinde birikmiş olan karbonun ayrışmadan yapıda kalıyor olması. Örneğin beyaz değil de, lamel graiftli (gri) dökme demir ya da küresel grafitli (sfero) dökme demir üretiyor olsaydık, grafitin ayrışmasının beklendiği sıcaklık, yine x 3 ile gösterilen bu ötektik sıcaklık olacaktır. Ötektik tepkime nispeten yüksek bir sıcaklıkta gerçekleştiği için, ledeburit çoğu ötektikte görülüğü gibi ince bir karışım halinde değil, daha iri bir karışım yapısı sergileyerek ortaya çıkıyor. 47
Beyaz Dökme Demirlerin Üretimi Soğuma sürecinin devamında, sıcaklık x 3 ten x 4 e doğru azalırken, yapıda ötektoid öncesinde oluşan (proötektoid) sementit fazı, daha önce çökelen sementitin üzerinde çökelmeye devam eder. Son olarak sıcaklık x 4 ile gösterilen ötektoid noktaya geldiğinde ise, yapıda kalan östenitin ötektoid tepkime sonucunda perlite dönüşmesiyle beyaz dökme demirin yapısı ortaya çıkmış olur. Soğuma sürecinin devamında, yapıda başka bir değişim olmadan parça oda sıcaklığına kadar soğur. 48
Beyaz Dökme Demirlerin Üretimi Oda sıcaklığında beyaz dökme demirin yapısı, perlite dönüşmüş östenit dendritleriyle birlikte, yine dendritik bir yapı sergileyen sementit ağı görülür. Bu yapıda karbon ayrışması olmadığı için, yapıda hiçbir şekilde grafit bulunmaz. Yandaki mikroyapı fotoğrafı üzerinde tipik bir beyaz dökme demir yapısı görülmektedir. Bu yapıda koyu renkli görülen faz perlit, açık renkli görülen beyazımsı faz sementittir. Sementit, yani demir karbür, oldukça sert ve kırılgan bir yapıya sahip olduğu için, beyaz dökme demir de benzer şekilde sert ve kırılgan bir yapı sergiler. İşlemesi de son derece zor olan beyaz dökme demirin, bu kırılgan ve sert yapısı nedeniyle, sanayide sadece kısıtlı bir kullanım alanı bulunuyor. Örnek olarak yüksek aşınma direnci istenen, fakat sünekliğin ya da darbe tokluğunun çok önemli olmadığı bilyalı değirmenlerde ya da çekme kalıplarının imalatında beyaz dökme demirlerden faydalanılır. 49
Temper Dökme Demirler Temper dökme demir, temelde beyaz dökme demir yapısına sahip olacak şekilde döküm yapılarak elde edilir. Temper yapıyı elde etmek için, katılaşma sonrasında parçanın bir ısıl işleme tabi tutulması gerekir. Beyaz dökme demir, oda sıcaklığında kararlı durumda bulunan bir yapı değildir. Yani, dökme demir içinde o kadar çok miktarda karbon bulunuyor ki, dökülen bir parça yavaş yavaş soğuyarak katılaşmaya bırakıldığında, mutlaka karbonun grafit olarak ayrıştığını ve gri dökme demir yapısının ortaya çıktığı görülür. Beyaz dökme demir yapısını elde edebilmek için, karbonun ayrışmasına fırsat vermeden parçanın hızlı bir şekilde soğutulması, ya da grafitin üzerinde çekirdeklenebileceği yüzeylerin sıvıdan uzak tutulması gerekir. Zaten çil adı da verilen bu karbür yapı, bu nedenle ince kesitlerde veya aşılamanın yetersiz olduğu durumlarda ortaya çıkar. 50
51 Temper Dökme Demirlerin Sınıflndıırlması
Temperle Isıl İşlemi (Siyah Temper Dökme Demir) Beyaz dökme demir içinde karbon yapıda çözünmüş olarak kalsa da, katılaşma sonrasında bir ısıl işlem uygulayarak karbonun grafit formunda yapıdan ayrışmasını sağlayabilir. İki adımda gerçekleştirilen bu ısıl işlemle bu ayrışmanın nasıl sağlandığını, yandaki faz diyagramı üzerinden açıklanabilir. İlk olarak, düşük karbon eşdeğerine sahip bir alaşım tamamen beyaz dökme demir yapısına sahip olacak şekilde katılaştırdığı varsayılırsa; bu parçayı ilk olarak 900 C 970 C bandında bir sıcaklığa ısıtıp bu sıcaklıkta uygun bir süre bekletilir. Bu işlem ile, oda sıcaklığında yapıda bulunan perlit fazının tekrar östenite dönüşmesi sağlanır. Faz diyagramına dikkat edilirse, düz çizgilerle gösterilen demir-sementit sisteminde östenit, demir-grafit sistemine kıyasla biraz daha fazla karbon çözebilme kabiliyetine sahiptir. Bu küçük fark bile, karbonun bu sıcaklıkta ayrışmaya başlaması için gereken itici gücü ortaya çıkarmak için yeterli olabilir. Grafitleşmenin başladığı bu ilk adımda, yapıdaki masif sementitin çözünerek yapıdan elimine edildiği görülür. Bu ayrışmanın hızı, doğal olarak, ısıl işlem sıcaklığına karşı büyük hassasiyet gösterir. Sıcaklık ne kadar yüksekse, grafitin o kadar kolay bir şekilde yapıdan ayrışır. Fakat bu işlemin yüksek bir sıcaklıkta gerçekleştirilmesi, aynı zamanda parçada biçimsel çarpılmaların oluşma riskini de artırır. 52
Temperle Isıl İşlemi Bu işlem sırasında grafitin ayrışması zaman alan bir süreç olduğu için, işlemin 24 saat kadar, hatta büyük parçalar için 72 saate varan süreler boyunca sürdürülmesi gerekir. Grafitleşmenin bu ilk adımı tamamlandığında, östenit matris üzerinde temper karbon kürelerinin ortaya çıktığı görülür. Bu küreler küresel grafitli dökme demirde olduğu gibi tam bir küre şeklinde değil, daha bozuk bir yapı sergiliyerek oluşur. 53
Temperleme Isıl İşlemi (Siyah Temper Dökme Demir) Isıl işlemin ikinci adımında, önce sıcaklığı nispeten hızlı bir şekilde ~760 C civarına düşürüp, ardından daha yavaş bir hızda soğutarak parçanın ötektoid tepkimeden geçmesi sağlanır. Bu yavaş soğuma sayesinde östenit içindeki karbon da yapıdan ayrılıp, daha önce oluşan temper grafit nodüllerine eklenmeye başlar. Grafitleşmenin ikinci adımı da bu şekilde tamamlandıktan sonra, yapıda başka bir değişim olmadan, parça oda sıcaklığına kadar soğutulur. Bu işlem sonrasında elde ettiğimiz temper dökme demir ferritik matrise sahip olduğu için, ferritik siyah temper dökme demir olarak adlandırılır. 54
Temperleme Isıl İşlemi (Siyah Temper Dökme Demir) Temper dökme demirler, perlitik bir yapı sergileyecek şekilde de üretilebilir. Yukarıda grafitleşmenin ilk adımı olarak tarif edilen birinci ısıl işlemi, tüm temper dökme demirlerde uygulanır. Fakat östenit içinde kalan karbonun ötektoid tepkime sırasında ayrışmasına izin vermeden soğutursak, o zaman östenitin tamamen ferrite dönüşmesi yerine, ortaya perlitik bir matrisin oluştuğu görülür. Bunun için de, dökme demirin ötektoid sıcaklığı hızlı bir şekilde geçmesini sağlayacak şekilde, hızlıca soğutulması gerekiyor. Bu işlem sonrasında elde edilen yapı perlitik temper dökme demir olarak adlandırılır. Fakat bu işlem sırasında soğuma hızının çok yüksek olmamasına da dikkat etmek gerekir: Soğuma hızının çok yüksek olması durumunda, östenit çok sert ve kırılgan bir yapıya sahip olan martensite dönüşebilir. Parçanın boyutlarına bağlı olarak bazı değişiklikler olsa da, genellikle havada soğutulan parçalarda perlitik yapı oluştuğu, martensitik yapı içinse parçanın yağa atılarak, su verme işleminin uygulanması gerektiğini söyleyebilir. Perlitik temper dökme demirlerin genellikle soğuduktan sonra tekrar 650 C 700 C arasında bir sıcaklıkta tavlanır. Bu işlem sonrasında yapıda bulunan nispeten kalın perlit yapısının, dağılmış ufak grafit nodülleri ortaya çıkartacak şekilde küreselleştiği görülür. Bu şekilde dökme demirin sertliğini biraz daha düşürüp, işlenebilirliğini arttırmamız mümkün olur. 55
56 Siyah Temper Dökme Demir
Temperleme Isıl İşlemi (Siyah Temper Dökme Demir) Günümüzde nötr atmosferde gerçekleştrilse de bu işlem daha önceleri kum ve dökme demir talaşlarına gömülerek gerçekleştirilirdi. Temperleme işlemi genellikle özel olarak dizayn edilmiş ve sızdırmazlığı sağlanmış küçük fırınlarda, özel bir koruyucu atmosfer kaynağı gerekmeden işlem yapılır. C + O 2 CO 2 reaksiyonu ile oluşan CO 2 yüksek sıcaklıkta CO dönüşerek dekarbürizasyonu önleyici ortamı oluşturur. 57
Siyah Temper Dökme Demirlerin Genel Özellikleri Fertitik siyah temper dökme demirin akma mukavemeti perlik siyah temper dökme demire göre daha düşüktür. Ancak kopma uzaması yaklaşık 4 kat daha yüksektir. Talaşlı imalat ile işlenebilirliği iyidir. Korozyona karşı direnci kaplama yaparak artırılabilir. Ferritik siyah temper dökme demirin aşınma direnci diğer dökme demirlere göre oldukça düşüktür. Kır dökme demire göre titreşim sönümleme kabiliyeti daha kötüdür. Kaynak kabiliyetleri düşüktür. 58
Temperleme Isıl İşlemi (Beyaz Temper Dökme Demir) Beyaz temper dökme demirlerin üretimi: Ham dökme demir (beyaz dökme demir) yaklaşık olarak 1000 C sıcaklıkta hafif oksitleyici ortamda temperleme işlemi gerçekleşir. Kontrolü atmosferli fırında veya oksijen veren maddelerle birlikte yapılan bu ısı işlemde parça yüzeyinden karbon kaybı olur. 5 mm den daha ince cidar tümüyle ferritik olurken, kalın parçalarda en çok 7 mm ye ulaşan bir tabakada karbon kaybı görülür ve iç yapı şekildede görüldüğü üzere kesit boyunca değişir. Beyaz temper dökme demirler genellikle ince cidarlı parçaların üretiminde tercih edilir. 59
Beyaz Temper Dökme Demirin Genel Özellikleri Beyaz temper döküme demir için uygulanan ısıl işlemin amacı demir karbürlerin parçalanması ve yoğun bir dekarbürizasyon oluşmasıdır. Beyaz temper dökmelerin yapısı homojen olmamasından dolayı kaynak kabiliyetleri oldukça düşüktür. Beyaz temper dökme demirlerin işlenebilirliği, siyah temper dökme demirlere nazaran daha iyidir. Beyaz temper dökme demirlerin yüzeyleri ferritik bir yapıya sahip olmasından dolayı aşınma dayanımları oldukça düşüktür. 60
Yüksek Alaşımlı Beyaz Dökme Demirler Yüksek alaşımlı beyaz dökme demirlerin ardındaki temel düşünce, zaten yüksek aşınma direncine sahip olan beyaz dökme demirlerin aşınma direncini daha da arttırmaktır. Sıradan bir beyaz dökme demir alaşımı yaklaşık 350 550 HB aralığında sertlik değerleri verirken, yüksek alaşımlı beyaz dökme demirlerde 450 800 HB gibi bir aralıkta sertlik değerleri elde edilebiliyor. Bu da, üretilen malzemenin çok daha yüksek bir aşınma direnci sergileyebileceği anlamına gelir. Beyaz dökme demirin sertliğini daha da arttırmak, daha sert ve daha fazla miktarda karbür parçacıklarını mikroyapıda oluşturmak gerekir. Bu parçacıkları elde edebilmek için, dökme demir içine krom gibi oldukça kuvvetli karbür yapıcı elementler eklenir. Katılaşma sürecinde oluşan ve hacimsel olarak geniş bir yer kaplayan birincil ve ötektik karbür parçacıkları, dökme demirin çok daha sert bir yapı sergilemesini sağlar. Ayrıca malzeme içinde krom bulunması, dökme demirin sertliğini arttırırken, aynı zamanda korozyon direncini de arttıran bir etki ortaya çıkartır. 61
Yüksek Alaşımlı Beyaz Dökme Demirler Üretilen bu malzemenin mekanik özelliklerinin sadece karbür parçacıklarına değil, aynı zamanda bu parçacıkları çevreleyen matrise de bağlıdır. Eğer tüm yapı sadece sert ve aynı zamanda kırılgan bu karbür parçacıklarından oluşsaydı, o zaman ister istemez beyaz dökme demir de oldukça kırılgan bir yapı sergilerdi. Fakat bu parçacıkları çevreleyen ve metalürji terminolojisinde matris adı verilen faz nispeten sünek bir yapıya sahip olduğu için, beyaz dökme demir parçanın sertlik yanında, aynı zamanda belli bir tokluğa da sahip olur. Bu özellik sayesinde kırıcı çene gibi darbeli uygulamalarda, malzemenin kırılmaya karşı bir direnç sergilemesini sağlar. 62
Yüksek Kromlu Beyaz Dökme Demirler Krom, oldukça kuvvetli bir karbür yapıcı element olduğu için, yavaş soğuyan parçalarda bile beyaz dökme demir yapısının ortaya çıkmasını sağlayabilir. Diğer bir deyişle, yüksek krom takviyesiyle hazırlanan alaşımlarda hızlı soğuma gereksinimi ortadan kalktığı için, 10 ton gibi yüksek ağırlığa sahip parçaların bile, tamamen beyaz dökme demir yapı sergileyecek şekilde üretilebilir. Yapılarında bulunan birincil ve ötektik karbür parçacıkları sayesinde, bu dökme demirlerin oldukça yüksek aşınma direnci sergilediklerini görüyoruz. Eğer sertlik yanında, parçanın tokluğunun da yüksek olması isteniyorsa, o zaman bu parçacıkların hacimsel oranı önem kazanır. Hacimsel orana ek olarak, karbür parçacıklarının boyut dağılımı, parçacıkların biçimsel özellikleri ve parçacıklar arasındaki ortalama mesafe de, malzemenin tokluğuna etki eden diğer parametreler olarak karşımıza çıkar. 63
Nikel-Kromlu Beyaz Dökme Demirler Sanayide Ni-hard adıyla da bilinen bu dökme demirler, özellikle kırıcı ve öğütücü parçalarda kullanılmaktadır. Karbür yapıcı kroma ek olarak, bu dökme demirler aynı zamanda bir miktar nikel de içerirler. Dökme demir içinde %3 %5 oranında bulunan nikel, yüksek sıcaklıklık fazı olan östenitin perlite dönüşmesini engeller. Bu şekilde, hızlı bir soğutmayla östenit yapısının oldukça sert bir faz olan martensite dönüşmesi sağlanabilir. Bu karbür parçacıkları da hem demir ve karbon, hem de krom ve karbon arasında oluştuğu için, aşınma direncini arttırmak için %1,5 %4 arası kroma ek olarak, karbon miktarının da %3,5 civarında tutulması gerekir. Eğer malzemenin tokluğunun da yüksek olması gerekiyorsa, o zaman karbon miktarını %2,7 civarına indirmek gerekir. 64
Yüksek Alaşımlı Beyaz Dökme Demirler Mikroyapısında grafitin küresel morfolojide bulunduğu dökme demir türüdür. Grafitin küresel morfolojisi sıvı demirin % 0.07 oranında magnezyum veya seryum ile aşılanmasıyla elde edilir. Bileşimlerinde genellikle %3,0 4,0 karbon ve % 1,8 2,8 silisyum bulunur. 65
Küresel Grafit Şeklinin Malzeme Özelliklerine Etkisi Dökme demirlerin yapısında ortaya çıkan temel fazlara baktığımız zaman, aslında gri dökme demir ve küresel grafitli dökme demir arasında bir fark olmadığı görülür. Her iki malzeme de ferritik ve/veya perlitik bir matris üzerinde dağılmış grafit parçacıklarından oluşur. Fakat ısıl ve mekanik özelliklere baktığımız zaman, bu iki malzeme arasında farklılıklar mevcuttur. İki malzeme arasında bu farkı yaratan temel etken grafitin biçimidir. Yani gri dökme demirde yapraksı, (lamel) yapıda oluşan grafitin, küresel grafitli dökme demirde küreselleşmiş olmasıdır. 66
Küresel Grafit Şeklinin Malzeme Özelliklerine Etkisi Çekme Dayanımı: Sünekliği en yüksek, dolayısıyla da dayanımı en düşük küresel grafitli dökme demir 400 MPa gibi bir çekme dayanımı sergilerken, bu değer lamel grafit yapısına sahip gri dökme demir için bir üst limit olarak kabul ediliyor. Akma Daynımı 400 MPa çekme dayanımına sahip bir küresel grafitli dökme demirde, akma dayanımı yaklaık olarak 250 MPa dır. Yani çoğu dökümhanede dökülen ve çekme dayanımı 250 MPa olan EN-GJL- 250 gibi bir dökme demirin sergilediği çekme dayanımı, zayıf olarak nitelendirebileceğimiz bir küresel grafitli dökme demirde (örneğin EN- GJS-400 gibi), akma dayanımına tekabül eder. 67
Küresel Grafit Şeklinin Malzeme Özelliklerine Etkisi 68 Uzama: Küresel grafitli dökme demir, uzama değerleri açısından da gri dökme demire kıyasla üstün özellikler sergiler. Sertlik: Bir malzemenin sertliği genellikle çekme dayanımıyla orantılı olarak değişir. Dolayısıyla, daha yüksek çekme dayanımı sergileyen küresel grafitli dökme demirlerin, gri dökme demirlere kıyasla bir miktar daha serttir. Darbe Dayanımı: Küresel grafitli dökme demir, darbe dayanımı açısından da gri dökme demire kıyasla üstün özelliklere sahiptir. Gri dökme demirde bulunan yapraksı grafit parçacıklarının sivri uçları, gerilmeleri yoğunlaştırarak yapıda çatlakların oluşmasını kolaylaştırdıkları için, gri dökme demirin darbe dayanımı ister istemez küresel grafitli dökme demire kıyasla daha düşüktür.
Küresel Grafit Şeklinin Malzeme Özelliklerine Etkisi Isı İletimi Isı iletimi konusunda gri dökme demir daha iyi bir performans sergilemektedir. Bunun sebebi, ısı iletimini arttıran grafit fazının, gri dökme demir içinde geniş yüzey alanı sergileyen yaprak biçiminde ortaya çıkıyor olmasıdır. Küre biçimindeki grafit parçacıklarında birim hacim başına düşen yüzey alanı daha düşük olduğu için, küresel grafit ısı iletimi açısından daha düşük bir performansa yol açıyor. 69
Mikroyapısal Özelliklerin Mekaniz Özellikler Üzerindeki Etkisi 70 Perlit Yüzdesi Perlit yüzdesinin mekanik özellikler üzerindeki etkisi, yanda verilen grafite gösterilmiştir. Bakır eklenerek üretilen perlitik dökme demirlerde perlit oranı %100 e geldiğinde dayanım hızlı bir artış göstermektedir. Bunun nedeni, malzeme tamamen perlitik yapı sergilemesine rağmen daha da fazla bakır ekledeğimiz zaman, eklenen bu fazla bakırın, katı çözelti sertleşmesi (solid solution strengthening) sayesinde malzemeyi daha da güçlendiriyor olmasıdır. Tamamıyla perlitik yapı sergileyen bir dökme demire daha fazla kalay (Sn) eklediğimizde ise bunun tersi bir etki görülür. Çünkü yüksek miktarda eklenen kalay, grafit şeklinde bozulmalara (lamelleşmeye) yol açıyor. Bunun doğal sonucu olarak, kalay miktarının yüksek olduğu durumlarda dayanımı bir noktadan sonra tekrar düşmeye başlar.
Mikroyapısal Özelliklerin Mekaniz Özellikler Üzerindeki Etkisi Küresellik Derecesi Küresellik, grafit parçacıklarının küre biçimine ne oranda yaklaşıklarını ifade etmek için kullanılan bir terimdir. Yani grafit parçacıkları mikroskop altında kusursuz kürelerden alınmış kesitler halinde görünüyorsa, o zaman küreselliğin yüksek olduğu anlamı çıkartılabilir. Grafit parçacıklarının şekli kusursuz küre formundan uzaklaştıkça, küre yapısının ortaya çıkardığı yüksek dayanıma ek olarak, yüksek uzama değerlerinde azalma görülür. 71
Mikroyapısal Özelliklerin Mekaniz Özellikler Üzerindeki Etkisi Küresel Grafit Sayısı Küre sayısı (nodül sayısı) genellikle 1 mm 2 lik bir alana düşen küre adeti üzerinden değerlendirilir. Küre sayısının artması, her şeyden önce mikroyapının incelmesini ve daha homojen bir mikroyapı oluşmasını sağlar. Kürelerin sayısı artınca kürelerin boyutları küçülüyor ve bu incelme etkisi malzemenin güçlenmesini sağlar. Fakat, diğer yandan küre sayısı artınca, perlit oranı azalır. Perlitin azalması nedeniyle malzeme dayanımını bir miktar kaybederken, sünekliği artar. Küre sayısı arttıkça yapının homojenleşmesi neticesinde, karbür oluşma riskinin de azaldığını görüyoruz. Bu da doğal olarak malzemenin hem çekme dayanımını, hem sünekliğini, hem de işlenebilirliğini arttırır. Genel olarak dökme demirin karbon eşdeğeri arttığı zaman, karbonun grafit olarak ayrışması kolaylaştığı için, küre sayısında bir artış meydana gelir. Soğuma hızının yüksek olması da küre sayısını arttıran etkenlerden bir diğeridir. Bu nedenle döküm bir parçadaki ince kesitlerde küre sayısının parça ortalamasına göre daha yüksek olduğunu görüyoruz. 72
Mikroyapısal Özelliklerin Mekaniz Özellikler Üzerindeki Etkisi Küresel Grafitlerin Boyutsal Dağılımı Mikroyapıyıda hem küçük, hem de büyük kürelerin bir arada bulunması grafilerin boyutlarının geniş bir aralıkta değiştiğini göstermektedir. Bu durum küresel grafitli dökme demirlerde tercih edilen bir özelliktir. Bunun nedeni mekanik özelliklere olan etkiden ziyade, çekmelerin giderilmesiyle ilgilidir. Grafitin farklı büyüklüklerde ortaya çıkmış olması, katılaşmanın son evresine kadar grafitin çekirdeklenmeye devam ettiğini gösterir. Dökülen parçada oluşan mikro gözenekleri gidermek için, grafitin katılaşma süresi boyunca mümkün olduğunca uzun bir süre çekirdeklenmeye devam etmesi istenir. 73
Mikroyapısal Özelliklerin Mekaniz Özellikler Üzerindeki Etkisi Karbür miktarı Oldukça sert ve kırılgan bir yapıya sahip olan karbür parçacıkları, malzemenin sünekliğini olumsuz bir şekilde etkileyerek malzemenin kırılganlaşmasına yol açar. Ayrıca sert yapıları nedeniyle, malzemenin işlenebilirliğini de olumsuz etkilemektedir. 74
Alaşım Elementlerinin Etkisi Karbon: Grafitin temel taşı olan karbonun alaşımda yüksek oranda bulunması, sıvının akışkanlığını, dolayısıyla da malzemenin dökülebilirliğini olumlu yönde etkiler. Yüksek karbon, doğru aşılama pratiği ile birleştiği zaman, yapıda bulunan küre sayısının artmasını sağlar. Silisyum: Silisyum, grafit yapıcı özelliği sayesinde grafitin ayrışmasına destek verir ve ötektik katılaşma sırasında gözlenen aşırı soğuma (ΔT) miktarını düşürür. Grafit oluşumunu desteklediği için, matristeki karbon miktarının azalmasını ve dolayısıyla da ferritik bir yapı elde edilmesini sağlar. Bakır: Genellikle %1 oranında bakır eklenmesi, küresel grafitli dökme demirin tamamıyla perlitik bir yapı sergilemesi için yeterlidir. 75
Alaşım Elementlerinin Etkisi Kalay: Kalay, bakıra kıyasla çok daha kuvvetli bir perlit yapıcı etkiye sahiptir. O nedenle çok daha düşük oranlarda kullanılması gerekir. Genellikle %0,1 %0,15 oranında eklenen kalay, yapıyı tamamen perlite dönüştürmek için yeterlidir. Bu elementin gereğinden fazla kullanılması, grafitin lamelleşmesine yol açabilir. Nikel: Östenit yapıcı bir element olması nedeniyle genellikle östenitik dökme demirlerin üretiminde kullanılır. Her ne kadar perlit yapıcı bir element olarak değerlendirilmese de, düşük oranlarda kullanıldığında perlit oluşumunu destekler ve perlit yapısının incelmesini sağlar. Mangan: Perlitik yapı oluşumunu destekleyen elementlerden bir diğeridir. Fakat yapıda karbür oluşması durumunda, bu karbürlerin yapısına da eklenebilir. 76
Alaşım Elementlerinin Etkisi Molibden Perlit oluşumunu destekleyen molibdeni, yüksek segregasyon eğilimi nedeniyle çoğunlukla düşük oranlarda ve bakır ve nikelle birlikte eklenir. Yüksek oranda molibden eklenen alaşımlarda, tane arası bölgelerde karbür oluştuğunu görülebilir. Krom, Vanadyum ve Titanyum: Oldukça kuvvetli bir karbür yapıcı olan krom, karbür (çil) oluşumunu destekleyerek malzemenin hem çekme dayanımının, hem sünekliğinin, hem de işlenebilirliğinin azalmasına yol açar. Vanadyum da (V) benzer şekilde karbür oluşumunu destekleyen bir elementtir. Titanyum da (Ti) bu kapsamda bir diğer karbür yapıcı elementtir. Fakat titanyumu düşük miktarlarda kullandığımız zaman, küresel grafit parçacıklarını vermiküler yapıya dönüştürebilir. Bu özelliği nedeniyle titanyumun özellikle ince kesitli vermiküler döküm parçalarda kullanılır. 77
Küresel Krafitli Dökme Demirlerin Katılaşma Aşamaları Ötektik üstü kompozisyona sahip küresel grafitli dökme demirin katılaşma 78
Küresel Krafitli Dökme Demirlerin Katılaşma Aşamaları Ötektik altı kompozisyona sahip küresel grafitli dökme demirin katılaşma 79
Kürsel Grafitli Dökme Demir Türleri Perlitik Küresel Grafitli Dökme Demir: Bu tür dökme demirler sert ve dayanımları yüksektir. Çekme mukavemetleri kır dökme demirlere göre 2 kat daha yüksektir. Ferritik Küresel Grafitli Dökme Demir: Bu tür dökme demirler %0,2 magnezyum karbür alaşımı kullanılarak veya perlitik dökme demirin tavlanması sonucu üretilirler. Diğer bir üretim şekli ise sıvı haldeki dökme demirin çok yavaş soğumasıyla gerçekleşir. Elde edilen dökme demir çok yüksek uzama kabiliyetine sahiptir. Östenitik Kürel Grafitli Dökme Demir: Bu tür dökme demirlerin mikroyapısında matris östenit ve düşük miktarda perlit fazından oluşur. %3,5 kadar Ni içeren östenitik küresel grafitli dökme demirleri korozyona karşı oldukça dirençlidir ve mukavemtleri yüksektir. İğneli Küresel Grafitli Dökme Demir: Su verme ve tavlama işlemi sonucu oluşan yapı beynit matris fazı içersinde küresl grafitlerden oluşur. Yüksek mekanik mukavemete ve sertliğe sahiptirler. 80
81 Kürsel Grafitli Dökme Demir Türleri
Küreselleştirme İşlemi (Mg Tretmanı) Küresel grafitli dökme demir üretiminde, grafitin küresel bir şekilde çökelmesini sağlayabilmek için, sıvı alaşımı bir magnezyum işleminden geçirilir. Bu işlemi, sıvı dökme demirin yüzey gerilimini azaltan ve dolayısıyla grafitin yapraksı biçimde büyümesine yol açan oksijen ve kükürt miktarlarını düşürmek için uygulanır. Magnezyum, sadece oksijen ve kükürtle tepkimeye girebilen bir element olduğu için değil, aynı zamanda demirle herhangi bir bileşik oluşturmaması, ve yüksek denge buhar basıncı sayesinde karıştırmaya gerek kalmadan sıvı içine kolaylıkla yayılabilmesi nedeniyle dökümhaneler tarafından tercih edilir. Magnezyum dışında zaman zaman seryum (Ce) içeren bazı nadir toprak elementi karışımlarının da (lantanum, neodim ve praseodimiyum gibi) bu amaçla kullanılırlar. 82
Küreselleştirme İşlemi (Mg Tretmanı) Açık Pota Yöntemi Magnezyum işlemi, birkaç farklı şekilde yapılabiliyor. Bunlardan en basit olanı, magnezyumu bir potanın dibine ferroalyaj formunda (FeSiMg) yerleştirip, ocakta hazırlanan sıvı alaşımı bu potaya dökülmesiyle gerçekleşir. Açık pota işlemi adı verilen bu yöntemde, sıvı dökme demire kıyasla daha hafif olan FeSiMg bir yandan tepkimeye girerken, diğer yandan yüzme eğiliminde olduğu için, işlemin verimi %20- %30 gibi nispeten düşük değerlerde kalıyor. 83
Küreselleştirme İşlemi (Mg Tretmanı) Sandviç Yöntemi: FeSiMg alaşımının yüzmesini engellemek için, potanın dibine yerleştirdiğimiz ferroalyajın üzerine örtü görevi gören bir malzeme yerleştirip, dökme demiri ondan sonra bu potaya dökülmesiyle gerçekleşir. Sandviç yöntemi adını verdiğimiz bu yöntemde, FeSiMg üzerine genellikle çelik hurdası ya da FeSi ile bir battaniye yapılır. Bekletme süresinin daha uzun olması istenen uygulamalarda, reçineli kum ya da kalsiyum karbür de battaniye olarak kullanılabilir. FeSiMg nin yüzmesini engellemek için alınan bu basit önlem sayesinde, işlemin verimini %40-%45 aralığına kadar çıkartabiliyoruz Oldukça basit bir yöntem olması nedeniyle Türkiye deki çoğu dökümhane bu yöntemi tercih etmektedir. Bu yöntemin bir dezavantajı olarak, battaniye olarak kullanılan malzeme miktarının fazla olması durumunda sıvı metal sıcaklığının azalmasına yol açabilir. 84
Küreselleştirme İşlemi (Mg Tretmanı) Daldırma Yöntemi: Daldırma yöntemi adı verilen bu yöntemde, tüm ferroalyajı bardak yapısında refrakter bir kaba doldurup, ters bir şekilde sıvı içine daldırılır. Bu yöntemde, sıvı alaşım pota içindeyken, ferroalyajı dışarıdan sıvı metal içine daldırılır. Oldukça yüksek bir verime sahip olan bu işlem, %50 ye varan verimiyle sandviç yönteminin önüne geçmektedir. Dejavantajı ise, sıvı içine daldırılan düzeneğin soğuk olması nedeniyle, sıvı sıcakığının azalmasına yol açmasıdır. 85
Küreselleştirme İşlemi (Mg Tretmanı) Devirmeli Pota (Konvertör) Yöntemi Devirmeli pota ya da konvertör işlemi adı verilen bu yöntemde, ilk aşamada yatay pozisyonda duran ve üst kısmında cep bulunan bir pota kullanılır. Basit bir devirmeli pota kullanılan durumlarda genellikle FeSiMg alaşımları kullanılırken, konvertör olarak anılan sistemlerde zaman zaman saf magnezyumun da kullanılmaktadır. Magnezyum alaşımı potanın içindeki bu cebe, yani üst kısma yerleştirildikten sonra, sıvı alaşım pota içinde doldurulup, potanın kapağı kapatılır. Ardından, pota dikey pozisyona getirilip, sıvı alaşımın cepte duran magnezyum alaşımıyla tepkimeye girmesi sağlanır. Kapak sayesinde magnezyum buharı pota içinde kaldığı için prosesin verimi artıyor. Yaklaşık %50 ye varan oranda verim sağlayabilen bu yöntemin en büyük dezavantajı, potanın soğuk olması durumunda sıvı metalin de soğumasına yol açıyor olmasıdır. Bu işlemin sıcaklık kaybı olmadan efektif bir şekilde kullanılabilmesi için, konvertörün sürekli olarak (bir saat içinde en az iki ya da üç defa) kullanılması gerekir. 86
Küreselleştirme İşlemi (Mg Tretmanı) Tel Tretmanı Bu yöntemde belirli bir hızda sıvı metal içerisine özlü bir tel daldırılarak küresellştirme işlemi gerçekleştirilir. Tel tretman, süreç kontrolü ve otomasyon açısından önemli bir avantaj sunuyor. Fakat diğer taraftan sandviç ya da açık pota gibi yöntemler, pratik ve ucuz olmaları yanında, grafitleşmeyi desteklemeleri nedeniyle dökümhaneler tarafından tercih edilir. 87
Küresel Grafitli Dökme Demirin Aşılanması Aşılama, dökme demir üretiminde yer alan en önemli adımlardan bir tanesidir. Aşılamayı ezbere yapmak yerine, sıvı alaşımın ihtiyacına göre ve doğru seviyede yapmak gerekir. Bu amaçla aşılamayı birkaç farklı aşamada gerçekleştirebilir. Ön Koşullandırıcı Ön koşullandırıcıları sıvıyı aşılamak için değil, sonradan yapılacak aşının çalışması için, yani sıvıyı canlı tutabilmek için yapılır. Aşılamaya benzemesi nedeniyle bazen ocak aşısı olarak da isimlendirilmesidir. Ocakta yeni erimiş durumda bulunan sıvı dökme demir, her ne kadar gözümüze tamamen sıvı fazdaymış gibi görünse de, aslında içinde 1 mikrondan daha küçük boyutta grafit parçacıkları barındırır. 88
Küresel Grafitli Dökme Demirin Aşılanması Ön Koşullandırıcı Sıvı içinde hâlihazırda çözünmemiş çok ufak grafit parçacıklarının bulunması, sıvı metal kalıba dökülüp katılaşmaya başladığında, grafitin ayrışmasını ve gri yapı oluşmasını kolaylaştırır. Fakat bu minik grafit parçacıkları sıvı içinde çözünmeden uzun süre kalamaz: Eğer sıvı metal ocakta uzun bir süre beklemişse, ya da sıvı sıcaklığı bir nedenden yüksek değerlere çıkartılmışsa, o zaman bu parçacıkların tamamen çözündüğü gözlemlenir. Bu parçacıkların çözünmesi sonucunda bir anlamda çekirdeklenme potansiyelini iyice kaybeden sıvı metali tekrar canlandırmak için, ön koşullandırıcı adını verdiğimiz bu takviyeden faydalanılır. 89
Küresel Grafitli Dökme Demirin Aşılanması Potada Aşılama Potada aşılama, dökümhanelerde oldukça yaygın bir şekilde kullanılan bir aşılama yöntemidir. Genellikle küresel grafitli dökme demir üretiminde, Mg tretmanından hemen sonra gerçekleştirilen bu işlemde, potadaki metalin miktarına göre 0,6 mm ile 6 mm arasında değişen tane boylarında aşı kullanılabilir. Bu yöntemde aşı sıvı içine direkt elle verilebileceği gibi, özlü tel içinde de verilebilir. Geç Aşılama Geç aşılamayı iki şekilde yapılır: Ya döküm sırasında kalıp içine akan metale aşıyı verilir (ağız aşısı), ya da aşıyı kalıp içine blok halinde yerleştilir. 90
Aşılanma Mekanizması Sıvı metal içine eklenen aşı ilk olarak çözünür. Ardından, sıvı içinde boyu yaklaşık 1 µm civarında CaS ve MgS gibi inklüzyonlar oluşmaya başlar. Daha büyük olanlar cürufa gidiyor olsa da, küçük olanlar sıvı içinde kalabilir. Devamında gelen süreçte bu sülfit inklüzyonlarının üzerinde MgO.SiO 2 gibi silikatların oluştuğunu görülür. Sonrasında bu silikatların üzerinde de Al, Ba, Ca ve Sr gibi elementleri içeren farklı silikatlar çekirdeklenir. Grafit, son aşamada oluşan bu silikat katmanı üzerinde çekirdeklenir. Zaten bu yüzden küresel grafitli dökme demir üretiminde kullanılan aşıların Al, Ca ve Ba gibi elementleri içerir. 91
Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirler Küresel grafitli dökme demir üreten bir dökümhanenin rahatlıkla dökebileceği bu malzeme, ostemperle ısıl işlemi ile daha iyi aşınma direnci, daha düşük maliyet ve daha iyi bir dökülebilirlik gibi özellikler taşıyabilmektedir. Dökme demirlere ve çeliklere uygulanan östemperleme işlemleri oldukça benzer özellikler taşır. Fakat, ortaya çıkan sonuç farklılık gösterir: Çeliklerde beynitik yapı oluşurken, dökme demirlerde ösferrit adını verdiğimiz matris yapısı elde edilir. Bir sonraki slaytta verilen diyagram üzerinde, %2 nin üzerinde silisyum içeren bir küresel grafitli dökme demire uygulanabilecek östemperleme ısıl işlemi göstermiştir.. Östemperleme işlemini adım adım şu şekilde tarif edebiliriz: 92
Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirler İlk olarak malzemenin matris yapısını östenite dönüştürmek için parçayı ısıtılır. Parçanın yapısı homojen bir şekilde östenite dönüştükten sonra, hızlı bir şekilde soğutarak perlit ve diğer fazların oluşmasını engellenir. diyagramdan da görebileceğiniz üzere, sıcaklığın bu işlem sırasında martensitin oluşum sıcaklığının (MS) altına düşmemesi gerekir. Parçanın soğutulduğu bu sıcaklığa östemperleme sıcaklığı adını verilir. Diyagramda bu sıcaklık yaklaşık 350 C ye denk gelmektedir. İstenen yapıyı elde edene kadar, parçayı bu östemperleme sıcaklığında tutulur. Dökme demirlerde amacımız ösferrit yapısını elde etmek olduğu için, diyagram üzerinde gösterildiği üzere bu yapının oluştuğu yerden sonra parçayı tekrar soğutulur. 93
94 Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirler
Östemperlenecek Dökme Demirin Özellikleri Küre sayısının 100 küre/mm 2 üzerinde olması gerekir. Küre sayısının yüksek olması zararlı elementlerin belli konumlarda birikmelerini engellerken, aynı zamanda mikro-gözenek gibi hataların oluşma eğilimini de azaltır. Küresellik derecesinin en az %85 seviyesinde olması gerekir. Yapıda bulunan mikro-gözenek, karbür ve inklüzyon gibi istenmeyen hataların en fazla %1,5 lik bir oranda olması gerekir. Dökülen parçanın homojen bir kimyasal kompozisyona sahip olması gerekir. 95
Vermiküler Grafitli Dökme Demirler Vermiküler grafitli dökme demir, farklı üretim teknolojileri gerektiren özellikleriyle, 1965 ten itibaren dökme demir ailesindeki yerini almıştır. Vermiküler grafitli dökme demirlerin grafit yapıları oldukça karmaşıktır ve içerisinde hiç lamel grafit olmayan, ortalama %20 oranında küresel grafit ve %80 oranında vermiküler grafit bulunan bir mikro yapıya sahiptir. Vermiküler grafitler lamel grafitlerden daha kalındırlar ve lamel uçları yuvarlatılmıştır. Grafite bu yapıyı kazandırmak için sıvı metali bir magnezyum işleminden geçirmelidir. Bu işlemin verimini hassas bir şekilde kontrol etmek oldukça zor olduğu için, yapıda mutlaka bir miktar küresel (sfero) grafit bulunmaktadır. Magnezyum işlemi sonrasında elde ettiğimiz grafit yapısını küresel değil de, vermiküler olarak değerlendirebilmesi için, yapıdaki küresel grafit oranının %20 nin altında olması gerekiyor 96
Solucanımsı Yapının Avantajları Bu solucanımsı grafit yapısı, vermiküler grafitli dökme demirin (lamel grafitli) gri dökme demire kıyasla daha üstün mekanik özelliklere sahip olmasını sağlar. Çünkü gri dökme demirde gördüğümüz lamel grafit yapraklarının sivri uçları, yük altında gerilme yığılmasına neden olarak çatlak oluşumuna yol açabilir. Vermiküler grafit bu sivri uçlardan yoksun olduğu için, gerilme yığılmaları grait lamelleri üzerinde oluşmamaktadır. Bunun doğal sonucu olarak malzemenin mekanik özellikleri de artmaktadır. Grafitin mercanı andırır bir şekilde üç boyutlu bir ağ yapısında oluşması da, demir ve grafit arasındaki bağı güçlendirerek, dökme demirin mukavemetinin artmasını sağlamaktadır. 97