42 5. KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER Küresel grafitli

5. KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER
Küresel grafitli dökme demir, birbirinden bağımsız “Britisch Cast Iron Research Association”
(BCIRA) ve “International Nikel Company” (INCO) tarafından geliştirilmiş ve ilk defa
Amerikan Dökümcüler Cemiyetinin 1948’deki yıllık toplantısında döküm endüstrisi için yeni bir
malzeme olarak tanıtılmıştır.
Bu tip dökme demir için “sphero”, “nodüler” ve “küresel grafitli” adları kullanılmıştır;
yurdumuzda kabul edilen daha çok “Küresel Grafitli Dökme Demir” tabiridir.
BCIRA yöntemi esas olarak, gri dökme demirle aynı bileşimde olan hiperötektik dökme
demirlere ergimiş halde, cerium (Ce) ilavesinden ibarettir. Cerium’un büyük kısmı, bileşimdeki
S’ü gidermekte ve geri kalan yaklaşık %0.02 Ce ise grafitlerin lamel yerine küre şeklini
almalarını sağlamaktadır. INCO yönteminde ise hipoötektik ve hiperötektik dökme demirlere
benzer olarak magnezyum ilavesi yapılmaktadır. Bu yöntemlerin ilk tanıtılmasından sonra bugün
hemen her yerde uygulanan magnezyum yöntemi daha ekonomik oluşu nedeniyle tercih
edilmiştir.
Küresel grafitli dökme demir, çeliğinkine benzer bir matris içinde dağılmış küre şekilli
grafitlerden oluşan bir yapıya sahiptir (Şekil5.1). Yapı açısından gri dökme demirden yegane
ayrıcalığı grafitlerin şekilleridir. Küresel grafitli dökme demirin mekanik özellikleri grafit şekli
ve büyük ölçüde matriks yapısı tarafından etkilenmektedir. Küresel grafitli dökme demirler, gri
dökme demirlerin başlıca avantajları (düşük ergime derecesi, iyi akışkanlık ve dökülebilme,
mükemmel işlenebilme ve iyi mukavemeti) ile çeliğin mühendislik yönünden avantajlarına
(yüksek mukavemet, tokluk, süneklik, sıcak işlenebilme ve sertleşebilme) birleştiren yeni bir
malzeme veya dökme demirler ailesi içinde yeni bir grubu oluşturmaktadır3.
Şekil 5.1: Tipik küre şekillim grafit yapısı (ferrit matriks içinde küre şekilli grafitler)3.
5.1. Küresel Grafitli Dökme Demirlerin Metalurjik Esasları
Gri dökme demir ve küresel grafitli dökme demirin kimyasal bileşimleri (kükürt ve magnezyum
haricinde) esas olarak birbirinin aynı olmasına rağmen, bu iki dökme demir oldukça farklı
42
şekillerde katılaşırlar. Bu farklılıklar özellikle ötektik katılaşmasında daha bariz olmakta ve her
iki dökme demir üretiminde uygulanan işlemlerdeki değişikliklerin nedeni olmaktadır.
5.1.1. Katılaşma ve Grafit Oluşumu
Gri dökme demirin katılaşmasında, “lamel grafit-ostenit” ötektiğinin oluşumu daha önce verilmiş
olup katılaşmanın konvansiyonel şekilde azalan sıvıya karşı büyüyen ostenit hücreleri ve grafit
lamelleri şeklinde geliştiği belirtilmişti. Gri dökme katılaşması tamamlandıktan sonra daha da
ağır soğuma sonucu katı ostenit karbon kusmakta ve mevcut grafit lamelleri üzerine grafit
çökelmesi meydana gelmektedir; nihayet ötektoid sıcaklık aralığındaki soğuma ile, alaşım
elementlerinin etkisine ve/veya soğuma hızına bağlı olarak tamamı ferritten, tamamı perlite
kadar çok çeşitli matriks yapısı meydana gelebilmektedir. Buna karşılık aynı karbon ekivalanı
değerleri için küresel grafitli dökme demirde ötektiğin katılaşması, lamel grafitli ötektikten daha
yüksek sıcaklıkta başlar. Bu durumda küre şekilli grafit bir ostenit kabuğu ile örtülüdür ve yalnız
bir faz (ostenit) ötektik sıvı ile temas halindedir. Bu tip katılaşma “neoötektik” tabir
edilmektedir. Her bir grafit küresi ve ostenit kabuğu bir hücre olarak kabul edilebilir, grafit
kürelerinin büyüyebilmesi için karbonun ostenit kabuğundan içeriye doğru yayınması gerekir,
bunun sonucu, katılaşma olayı gri dökme demirinkine nazaran daha yavaş olmakta ve
“neoötektik katılaşma” aralığı 49 °C kadar olabilmektedir. Küresel grafitli dökme demirde sıvı
metal, ggri dökme demire nazaran daha geniş bir sıcaklık aralığında ve daha düşük sıcaklıklarda
mevcut olabilmektedir.
Neoötektik’in büyümesi başladıktan sonra, başka küresel grafit çekirdeklenmesi olmaz;
dolayısıyla grafit kürelerinin sayısı katılaşmanın hemen başlangıcında belirlenmiş olmaktadır.
Ötektoid sıcaklığına kadar mevcut grafit küreleri üzerine grafit çökelmesi meydana gelir.
Gri dökme demirde olduğu gibi ötektoid sıcaklığından geçerken ki hızı ve alaşımlandırma,
matriks yapısını tayin eder. Tamamen küresek grafitli bir yapının elde edilmesinde, uygun sayıda
kürenin mevcut olması gerekir. Küre sayısının az olması karbonun yayınabileceği yer sayısının
az olması demektir ve bunun sonucu, işlem değişkenlerine ve bileşimine bağlı olarak, müteakip
soğuma esnasında ya lamel şekilli grafitler veya demir-karbür oluşacaktır.
Hipoötektik bileşimli küresel grafitli dökme demirlerde ostenit dentritlerinin oluşumu ile
katılaşma başlar. Hiperötektik bileşimlilerde ise katılaşma genel hatlarıyla aynı olup tek
ayrıcalığı, ilk katılaşan faz (primer) küre şekilli grafitlerdir.
Küresel grafitli dökme demirlerin katılaşmasının etüdü,soğuma eğrilerinin incelenmesi ve
metalografik etüdün yapılması yoluyla olur. Katılaşmanın yukarıda verilen tarifinde bazı ufak
münakaşalı noktalar olmakla beraber genel hatlarıyla gerçek durumu tanımladığına
inanılmaktadır. Ancak küresel grafitin kristalleşmesi konusunda bunun tamamen aksinin
meydana gelmesi mümkün olup birbirine ters düşen hipotezler ve deney sonuçları mevcuttur.
Bazı noktalarda birbirleriyle çelişen teorilere aşağıda kısaca değinilmiştir.
-“Grafit şekli çekirdek tarafından tayin olur”
Grafitlerin küresel şekilli oluşlarının açıklanmasında önceleri en popüler olan bu teori esas
olarak, yabancı tanecilerin (muhtemelen küreleştirici element bileşikleri grafitlerin her yönde
aynı hızla büyümelerine neden olan çekirdek görevi gördükleri temeline dayanmaktadır.
Metalografik kanıtın olmayışı bu teorinin en eksik yanıdır; çünkü grafit kürelerinin polikristalin
yapısı açıklanamamaktadır.
43
-“Grafit küreleri, büyüyen grafit dentritlerinin dallanma frekansına bağlı olarak oluşur”
Bu görüşe göre kürelerin büyümesi dentrit lamellerinkine benzer şekilde başlar. İleri
sürüldüğüne göre dentritik olarak başlayan grafit büyümesi, dentrit dallarının oluşum frekansı
düşük olduğunda, lamel grafit oluşumuna yol açar; küreleştirici mevcudiyetinden dolayı
dallanma frekansı çok yüksek olduğunda ise birbiri üzerine binen dallar küre şeklini oluşturur
(Şekik5.2).
Şekil 5.2: Dallanma frekansı hipotezine göre bir grafit küresinin büyümesindeki muhtemel
kademeler3.
Dallanma frekansı hipotezi de grafitin polikristalin yapısını açıklanmasında yetersiz kalmakta ve
bu görüşün metalografik bir kanıtı da bulunmaktadır.
-“Küre şekilli grafitin minimum yüzey enerjisi vardır”
Bazı yüzeyi aktif elementlerin mevcudiyetinde grafit, kristallografik yapısına göre büyür. Bu
türlü oluşan yapı lamel olacaktır; ancak ortamda bir küreleştirici bulunduğunda daha hızlı
büyüme yönü taban düzlemine dik olmaktadır. Bazı görüşlere göre oksijen, kükürt ve benzerinin
giderilmesi, bunda ana etken olmakta; bir başka görüşe göre ise esas etken küreleştirirci
elementlerin grafit kristalinin prizma düzlemleri tarafından absorbe edilmesidir. Daha yeni bir
araştırmada sıvı küresel grafitli dökme demir ile grafit kristalinin prizma yüzeyi arasındaki ara
yüzey enerjisinin, sıvı ile taban düzlemi arasındaki enerjiden daha büyük olduğu gösterilmiştir.
Küresel büyüme de bu duruma bağlanmaktadır (Şekil5.3).
Şekil 5.3: Yüzey enerji hipotezine göre, küre şekilli grafitin mümkün büyüme mekanizması3.
Bununla beraber prizma yüzeyi ile taban düzlemi arasındaki oran, bir hegzagonal piramit için,
ince bir hegzagonal plaka için olandan daha büyüktür; buna göre (prizma yüzeyi/sıvı), arayüzey
enerjisi yüksek olduğunda tercihli bir lameler büyümenin gerçekleşeceği ileri sürülebilir, bunun
44
tam tersi düşünen araştırmacılar da vardır; bu günkü bilgilerle bu görüşlerden hiçbirine kesin
olarak katılma olanağı yoktur. Bu arada vakum altında ergitilen düşük kükürtlü dökme
demirlerde, bilinen herhangi bir küreleştirici bileşiminde bulunmasına rağmen grafitlerin
küreleşmeye meylettiği görülmektedir. Bu da küreleşme olayında oksijen ve kükürdün rolüne
işaret etmektedir. Ayrıca grafit kristalinin taban düzlemleri arasında bağ çok zayıftır ve kristalin
kristallografiye uygun büyümeden ziyade minimum yüzey oluşturacak şekilde büyümesi söz
konusudur.
-“Küre şekli, grafitin katı faz içinde büyümesi sonucudur”
Bu görüşe göre gri dökme demirde, grafit lamelleri sıvı ile temas halinde büyür. Küreleştirme
işlemi etkisiyle büyüyen grafit kristalleri tamamen katı faz (ostenit) ile çevrili olmaktadır. Bu
durumda büyüme hızı, karbonun yayınma hızı ile kontrol edildiğinden, bütün yönlerde yaklaşık
olarak eşit olacak ve kristaller küre şeklini alacaktır. Ancak bu görüşe karşı olarak, dendrit
kolları arsında son katılaşan sıvı ile temas halinde büyüyen uzun şekilli grafit kristalleri
gösterilmektedir, ayrıca sıvı ile doğrudan temas halinde de grafit kürelerinin büyüdüğü
ispatlanmıştır; bu ekseri halde birbiri ile temas eden grafit kürelerinin tespiti ile
kanıtlanmaktadır. Nihayet grafitin katı demir içinde büyüdüğü kabul edildiğinde, bu olay için
başka deyimle büyüyen grafitin osteniti plastik olarak deforme edilebilmesi için oldukça yüksek
bir enerjiye ihtiyaç var dır, bu ise katılaşma gizli ısısının, ergime ısısından çok çok büyük olması
halini gerektirir ki gerçek durum böyle değildir.
-“Faz sınırı veya gaz kabarcığı (buble) teorisi”
Bu teoriye katılanlar az olmakla beraber, grafit kürelerinin gaz kabarcığı teorisinde tarif edildiği
şekilde oluşturduğunu kanıtlayan veriler mevcuttur. Grafitin, çatlak, gaz boşluğu enklüzyon gibi
belirli yüzeylerden kristalleşmeye başladığı bilinen bir olaydır, “gaz kabarcığı teorisi” de grafit
kristalleşmesinin yalnız herhangi türde bir faz sınırı ile desteklendiğinde gerçekleşebileceğini
öne sürmekte, aksi halde karbür oluşacağını belirtmektedir.
Yine bahis konusu teoriye göre gerekli faz sınırları sıvı metal içindeki CO gaz kabarcıkları
aşağıdaki reaksiyon sonucu oluşmaktadır.
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Lamel grafit şıkkında ise büyük kabarcıklar oluşmakta ve yüzeyleri ince bir grafit tabakasıyla
kaplanmaktadır. Yeni oluşmuş grafit yüzeyi CO gazı absorbe eder, gaz kabarcığı büzülür bunun
sonucunda da düzensiz gruplar halinde grafit lamelleri oluşur.
Gri dökme demirde SiO2 ‘in gerekliliği Belçikalı ve Alman araştırmacıların elde ettikleri
sonuçlarla kanıtlanmıştır. Alman araştırıcıya göre özetle:
1- Sıvı metalde grafitin heterojen kristalleşmesi için çekirdeklere gerek vardır. Kural olarak
bu çekirdekler silis (SiO2 ) tanecikleri olmaktadır.
2- SiO2 + 2C → Si + 2CO dengesi üzerinde yaklaşık 50 °C sıcaklık aralığında sıvı
demirdeki silisyum oksijeni bağlar.
3- Sıvı demiri uzun süre sıcakta tutmak oksijen kaybına ve dolayısıyla grafit yapısının
bozulmasına yol açar. Bu olay vakum ergitmede olan olaya benzerdir. Sonuçta ASTM
“D” tipi grafitler ve karbürler oluşur.
4- Oksijen kaybı aşılama ile giderilemez.
5- Manganezle aşılama grafitin heterojen çekirdeklenmesine engel olur.
45
6- Sıvı demirin aşılamaya cevap verebilmesi için yeterli oksijene gerek vardır.
7- Ca, Ba, Sr, Al v.b. aktif aşılayıcılar stabl oksitler oluşturarak silisin çökelmesinde
katalizör rolü oynarlar.
Bu bulgulara göre sıvı demire küreleştirici ve aşılayıcı ilave edildiğinde ne olduğu ve grafit
kürelerinin nasıl oluştuğu şöyle açıklanabilir:
Sıvı demirin gördüğü işlemler oksijen içeriğini yaklaşık olarak 100 ppm’den 30 ppm’e düşürür.
Kükürt oranı da zamanla azalır. Aşışımla sıvı demire “aktif aşılayıcı” nın oksitlerinden çok
sayıda sabmikroskobik tanecikler sağlar.
Ya yüzey aktif elementlerden kükürdün giderilmesi veya magnezyum gibi küreleştiricilerin
mevcut oluşu, film şeklindeki grafit büyümesini engeller. Dislokasyonlar, grafit kristalinin
büyümekte olan taba düzlemini kendi üzerine katlamaya zorlar ve spiral tipi bir büyümeye neden
olur. Dolayısıyla, küre şekilli grafitin büyüme kademeleri aşağıdaki gibi olacaktır:
a- Oksijen içeriği azalır ve CO gaz kabarcıklarının toplam hacmi, çökelecek grafit hacmi ile
aynı mertebede olur.
b- Sıvı demire aşılayıcı oksit tanecikleri sağlanır.
Soğumada, (C) ile dengede olacak şekilde erimiş silis aşılayıcı oksitlerin üzerine çökelir. Denge
heterojen hale geçer.
c- Homojen dengeyi sağlamak için bir kısım SiO2 karbonla reaksiyona girerek çok ince
dağılmış küçük kabarcıklar oluşturur.
d- Olayın geri kalını ise şekil 5.4’de gösterilmektedir.
Şekil 5.4: Faz sınırı teorisine göre küre şekilli grafitin büyümesindeki mümkün kademeler. (1)Gaz, (2)- Grafit iğneleri (whisker), (3)- Sıvı, (4)- Ostenit3.
Demir ve karbona ilaveten, grafit (küresel veya lamel şekilli) oluşması için iki element daha
gerekli olmaktadır, bunlar silisyum ve oksijendir. Grafit şeklinin küre olabilmesi için ilave edilen
diğer elementler a) oksijen içeriğini azaltmak ve b) Wisker tipi grafit büyümesine neden olmak
amacını güderler.
Faz sınırı teorisini destekleyen metalografik çalışmalar yanında, Japon bilim adamlarının sıvı
metali küçük gaz habbecikleriyle doyurarak ürettikleri küre şekilli grafitler bu konuda oldukça
cesaret verici kanıtlar oluşturmaktadır3.
46
5.1.2. Küreleştiricilerden Mg’un Etkisi
Daha önce de belirtildiği gibi hipoötektik ve hiperötektik bileşimleri için, küresel grafitler elde
edilmesinde en çok kullanılan yöntem magnezyum ilavesidir. Magnezyumdan başka elementler
aynı amaçla denemişlerse de bunlardan hiç biri yeter derecede uygun olamamışlardır. Bu
elementler arasında seryum, kalsiyum ve yitriyum sayılabilir.
Magnezyum ayrıca ergimiş metal için bir oksijen ve kükürt giderici rol oynar. Ergimiş metalin
oksijen ve kükürt muhtevası çok yüksek ise önemli miktarda magnezyum, magnezyum oksit ve
sülfürlerin oluşumunda harcanacaktır. Henüz kesin açıklanmayan bir mekanizma ile magnezyum
lamel grafit oluşumunu önleyip, grafit şeklinin küre olmasını sağlamaktadır.
Genel olarak küreleşmenin sağlanması için bileşiminde %0.05 oranında artık magnezyum
gereklidir. Magnezyumun sıvı metale ekleniş yöntemleri daha ileride açıklanacaktır3.
5.1.3. Küresel Grafitli Dökme Demir Bileşimindeki Ana Elementlerin Kontrolü
Karbon-Ticari küresel dökme demirde karbon oranı %3-4 arasında değişir, ancak arzu edilen
karbon genellikle daha dar limitler içindedir. Grafit kürelerinin sayısı karbon %’sine doğrudan
bağlıdır, bir başka deyimle karbon %’si artıkça grafit küre sayısı da artar, karbon oranındaki artış
akışkanlık ve besleme özelliklerini de iyileştirerek dökülebilirlik kabiliyetini arttırır. Karbon
ekivalanının CE = %C + 1/3 %Si :4.3’den daha büyük değerleri grafit kürelerinin oluşumu ve
büyümesini teşvik eder. Karbon ekivalanı 4.6’dan daha büyük olan bileşimlerde ve 2.54 cm’den
daha kalın kesitlerde grafit kürelerinin döküm parçasının üst yüzeyine doğru yüzmesi
(Flotasyon) ve karbon segregasyonuna neden olması olağandır (Şekil 5.5).
Şekil 5.5: Küresel grafitli dökme demirde en uygun karbon ve silisyum oranları3. 1- Çekilme
boşluğu, 2- Düşük darbe direnci, 3- En uygun C ve Si, 4- Grafit yüzmesi, 5- Karbür oluşum
olasılığı fazla.
Silisyum-Küresel grafitli dökme demirlerde silisyum normal olarak %1.80- 2.80 arasındadır.
Silisyum miktarı karbon ekivalanını etkilediği için grafitleşme ve karbon segregasyonu üzerinde
de önemli rol oynar. Silisyum ötektoid dönüşümde oluşan ferritin oranını ve sertliğini arttırarak
dökme demir mukavemetinde de bir artış meydana getirir. Silisyum daha çok ferrosilisyum
olarak, işlem sonunda sıvı metale ilave edildiğinde (aşılama) grafit küre sayısının kontrolü
açısından daha etkin olur.
47
Alaşımsız veya az alaşımlı ve karbürsüz küresel grafitli dökme demir için önerilen karbon ve
silisyum oranları Tablo 5.1’de verilmektedir. Ayrıca Tablo 5.2’de ve Tablo 5.3’de sırasıyla,
belirli silisyum %’si için maksimum cidar kalınlığına bağlı olarak olması gereken karbon %’si ve
yüksek karbonlu alaşımsız veya alaşımlı gri dökme demirde %4.00 C için maksimum cidar
kalınlığına göre, Si %’leri verilmektedir.
Tablo 5.1: Alaşımsız veya az alaşımlı karbürsüz küresel grafitli dökme demirlerde karbon ve
silisyum için genel öneriler3.
Kükürt- Küresel grafitli dökme kükürttün en önemli etkisi grafitleri küreleştirmek amacıyla
ilave edilen Mg miktarını arttırmaktadır. Dökme demirde magnezyum ilavesinden önceki kükürt
oranı ergitmedeki uygulamanın ve şarj bileşimindeki fonksiyonu olarak değişik gösterir.
Magnezyum ilavesinden sonraki kükürt oranı yaklaşık %0.015 civarındadır.
48
Tablo 5.2: Belirli Si % için cidar kalınlığına göre önerilen karbon oranları3.
Tablo 5.3: Yüksek karbonlu az alaşımlı veya alaşımsız küresel grafitli dökme demirler için
önerilen silisyum oranları3.
Fosfor- Gri dökme demirde olduğu gibi, küresel grafitli dökme demirde fosfor, “Steadit” olarak
bilinen çok kırılgan bileşiğin oluşumuna yol açar. Fosfor, malzeme tokluk ve sünekliğini kötü
yönde etkilediği için, genellikle %0.05 maksimum değerinde sınırlandırılır.
Manganez- Önem sırasında karbon ve silisyumdan sonra yer alan elementtir. Döküm halinde
karbürlerin oluşmasını önlemek için manganez oranının kontrol altında tutulması
49
gerekir.Manganezin orta derecede bir karbür oluşturucu etkisi olduğundan, oranı silisyum %’si
ve kesit aralığına bağlı olan bir maksimum değerde sınırlanır. Manganezin silisyum % ve kesit
boyutu ile olan bağımlılığı şekil 5.6’da gösterilmektedir.
Şekil 5.6: Silisyum oranı ve maksimum cidar kalınlığına göre önerilen silisyum oranları3.
Şekildeki veriler döküm halinde karbürsüz yapı sağlamak amacıyla kullanılır. Şekil5.6’ya göre
kesit (cidar) kalınlığı 25 mm veya biraz fazla olan ince dökümlerde, manganezin karbür
oluşumunu teşvik edici etkisi, artan silisyum miktarı ile karşılanmakta ve bu durum döküm
inceldikçe devam etmektedir; 12 mm kesit kalınlığındaki bir döküm parçası için silisyum
oranında %2.5’dan %3’e artış, manganez oranının, %0.25’den %~0.35’e artmasına imkan verir
Kalın kesitli döküm parçalarında segregasyon nedeniyle bu tür manganez artışı söz konusu
olmamaktadır.
Manganez tercihli olarak sıvı içine segrege olur. Soğuma ne kadar yavaş olursa bu segregasyon
daha çok olacaktır. Ortalama %0.4 mm içeren alaşımda son katılaşan sıvıdaki Mn oranının %2.5
veya daha fazla olabileceği kanıtlanmıştır. Özellikle, nispeten kalın kesitlerde bu segregasyon
silisyum tarafından engellenemez, çünkü silisyum segregasyonu tam tersinedir, yani ilk
katılaşanda zenginleşir. Şekil 5.7’de nispeten kalın kesitli küresel grafitli dökme demirde
manganez dağılımı gösterilmektedir.
Şekil 5.7: Şematik olarak yapı içinde manganez dağılımı3.
50
Diğer Elementler- Karbür oluşumunu manganez gibi hatta ondan daha kuvvetli teşvik eden
elementler krom, vanadyum, bor, telluryum ve molibdendir. Bu elementlerin tavsiye edilen
maksimum oranları aşağıda verilmektedir.
Cr= %0.05
V = %0.03
B= %0.003
Te= %0.003
Mo= %0.01-0.75
Ancak bu değerler döküm parçasının kesitini göz önüne almayan ortalama değerlerdir. Belirtilen
elementlere ilaveten nikel, bakır ilaveleri ile de daha tok, daha mukavemetli, yüksek sıcaklığa ve
korozyona direnci daha yüksek alaşımlar elde edilir3.
5.1.4. Grafitin Dağılımı ve Şeklini Etkileyen Elementler
Grafit dağılımı tarif olarak birim hacimdeki grafit kürelerinin sayısıdır. Bu değer kesit üzerinde
birim alana düşen grafit küre kesiti sayısı ile doğru orantılıdır ve “grafit küre sayısı / mm2”
olarak ölçülür.
Grafit kürelerinin dağılımını yarı-kimyasal olarak etkileyen element silisyumdur. Silisyum oranı
arttıkça küre sayısı da artar, ancak fazla silisyum (Chunk-type) “gelişmemiş grafit partikülleri”
şekline yol açar. Grafit küre sayısını etkileyen diğer elementler “aşılama” bahsinde
açıklanmaktadır.
Karbon miktarı hem grafit şeklini hem de boyutunu etkiler, çünkü karbon ekivalanı değiştirir.
Grafit küreleri, hiperötektik küresel grafitli dökme demirde daha küçük ve daha düzgün
şekillidir.
Yüksek nikel ve silisyum içeriği de grafit şeklinin bozulmasını kolaylaştırabilir. Bu etki özellikle
orta veya kalın kesitli, yüksek nikelli ostenitik küresel grafitli dökme demirlerde görülmektedir.
As, Sb gibi çok çok küçük miktarlarının dahi zararlı olduğuna inanılan elementler, laboratuvar
çalışmalarında ve bazı sınırlı endüstriyel uygulamalarda perlit oluşumunu teşvik ve grafit şeklini
düzeltme amacıyla (Ce) ile beraber ilave edilebilmektedirler.
Bir zamanlar küresel grafit oluşumunun sağlanmasında temel element olarak bilinen seryumun
ise bazı eser miktardaki elementler mevcut olmadığı takdirde, Chung-grafit oluşumuna yol
açtığı, özellikle ostenitik grafitli dökme demirlerde müşahede edilmiştir.
Küresel grafitli dökme demirlerde tamamen küre şekilli grafitleri içeren bir yapı ancak
küreleştirici elementlerden bir veya birkaçının ilavesiyle elde edilebilir. Bu elementleri içeren
grup Mg, Ce, Ca, Li, Na, K, Se, Be, Y ve diğer bazı elementlerden oluşmaktadır. Bunlar grafit
şeklini etkileyen elementler olarak bilinir. Ancak çeşitli araştırmalar, daha kırk veya daha fazla
elementinde grafit şekline etkili olduğunu ileri sürmektedir.
Küresel grafitli dökme demirde grafit şeklinin küreden sapışı kabaca 4 şekilde olmaktadır: a)
“Exploded graphite” patlamış grafit küresi, b) “Quasi graphite” yarı lameler grafit, c) “Flake
graphite” küçük lamelli grafit, d) “Chunk graphite” gelişmemiş grafit partikülleri (Şekil 5.8).
51
Şekil 5.8: Kürersel grafitli dökme demirde normal grafit yapısından sapmalar, a) yarı lameler
grafit, b) hücreler arası grafit lamelcikleri, c) chunk grafit, d) patlamış grafit küreleri3.
İstenmeyen bir grafit şekli olan yarı-lameler tipinin yanında patlamış küre tipinin dökme demirin
mekanik özelliklerine büyük oranda bir menfi etkisi olmadığı anlaşılmıştır. Özelliklere en çok
zararlı olan, hücre ara sınırlarında küçük grafit lamelleri ve “Cunk grafit” tipidir. Hücreler arası
grafit lamellerinin oluşumuna yol açan elementler muhtemelen katılaşma sırasında katıdan
atılarak sıvıda zenginleşip bu son katılaşan sıvı içinde grafit lamellerinin çökelmesine neden
olacak konsantrasyona erişmektedirler. Bunun sonucu hücreler arası grafit lamelcikleri şekil 4.8
b daha çok, segregasyon için geniş zaman bulunabilen kalın kesitli dökme demirlerde
rastlanmaktadır. “Chunk” grafit ise hücre işlerinde oluşmaktadır (Şekil 5.8 c), hücre sınırlarında
ise genellikle iyi şekillenmiş grafit küreleri mevcuttur: Bu durum her ne kadar kesit kalınlığı
arttıkça belirgin oluyorsa da, sebep olarak segregasyona bağlamak oldukça zordur, daha çok
lamel tipi grafit oluşumuna yardım eden elementlerin “Chunk” tipi grafit oluşturan elementlerce
nötralize edilmesi söz konusudur. Bu açıdan bakıldığında “Chunk” tipi grafitin elimine edilip
tam küresel şekilde grafitin eldesi, şekil 5.8 b tipi grafit oluşumunu teşvik eden elementlerin
ilavesi ile mümkün olabilir. Kısaca bir elementin zararlı etkisi, yine zararlı kabul edilen bir başka
element tarafından giderilebilmektedir. Örneğin “Chunk” tipi grafit oluşumuna yardımcı olarak
tanımlanan silisyum ile hücreler arası grafit lamellerinin oluşumunu teşvik edici olarak bilinen
kalay arasındaki yaklaşık ilişki şekil 5.9’da verilmektedir.
52
Şekil 5.9: Grafit şekli üzerinde değişik etkileri olan silisyum ve kalay arasındaki denge durumu3.
Bir başka örnek titanyum için verilebilir. Küresel grafitli dökme demir bileşiminde, gerek kalıp
gerekse maçalarda kullanılan bağlayıcılardan gelebilecek azotun kötü etkisini karşılamak içi,
%0.02-0.04 oranlarında titanyum istenebilir, ancak yüksek oranda Ti, magnezyumun etkisini
henüz bilinmeyen nedenlerle ters yöne çevirerek lamel tipli grafitleşmeye yol açtığı için arzu
edilmez (Şekil5.10).
Şekil 5.10: Küresel grafitli yapının eldesi için gerekli magnezyum miktarı artan titanyum miktarı
ile artar. Yüksek magnezyum ve yüksek titanyumun beraber bulunuşu lamel tipli grafit
oluşumuna yol açar3.
Grafit şekli üzerinde etkisi önemli olan kükürttün dökme demirdeki oranı ne kadar az olursa
küreleştirmek için yapılacak ilave miktarı da o kadar az olacağı açıktır. Küresel grafit eldesi için
gerekli magnezyum oranı ile magnezyum ilavesinden önce dökme demir bileşiminde bulunan
kükürt oranı arasındaki ilşki şekil 5.11’de verilmektedir.
53
Şekil 5.11: Küre şekilli grafit elde etmek için ilave edilmesi gereken magnezyum miktarı3.
Sonuç olarak grafit şeklini etkileyen elementleri zararlı, nötr ve yararlı olarak sınıflandırmanın
gerçeklere uymadığı söylenebilir, daha öncede belirtildiği gibi bu elementlerin dökme demir
yapısında bulunmuş şekline (beraber veya ayrı ayrı) bağlı olarak etkileri birbirine tamamen zıt
yönde gelişebilir ve birbirlerinin etkilerini kuvvetlendirebildikleri gibi nötralize edebilirler.
Kesin bir sınıflandırma olmamakla beraber grafit şekli üzerinde etkili elementler: Mg, Ce, Ca,
Li, Na, K, Sc, Be, Y olarak bilinmektedir. Ancak yayınlanmış çeşitli literatürler de Al, As, Bi, C,
Cd, Cu, Ni, Pb, Sb, Sn, Si, Te, Ti, Zn, Zr, ve nadir toprak elementlerinde grafit şekli üzerinde
etkili olduğu belirtilmiştir. Bu elementlerin etkili oranları çok değişik olabilmekte bazıları çok
çok küçük oranlarda daha aktif olabilmektedir3.
5.2. Küreleştirici İlavesi
Dökme demirde grafitleri küreleştirmek amacıyla bir çok elementin etkisi incelenmiş ancak
magnezyum (genellikle bir miktar Ca, Ce ve bazı diğer nadir toprak metalleriyle birlikte) bu
amaç için en efektif ve ekonomik küreleştirici olarak bulunmuştur. Küre şekilli grafitleri
oluşturmak için gerekli olan magnezyum miktarı, dökme demirin ana bileşimindeki kükürt ve
oksijen miktarlarına büyük ölçüde bağlıdır. Daha öncede belirtildiği gibi bileşiminde minimum
%0.015 ila %0.05 magnezyum kalması uygun kabul edilir.
Magnezyum ile muamelesi esnasında, hem asit hem bazik usulde ergitme için, dökme demir
sıcaklığı (1538-1566 °C) civarında olup magnezyumun buharlaşma sıcaklığının oldukça
üzerindedir. Dolayısıyla sıvı metal ile temas eden magnezyum aniden buharlaşır ve uygun
şekilde yapılmadığı takdirde reaksiyon çok şiddetli olabilir.
Magnezyumun verimi hava ile temas etmeden önce magnezyum buharının içinden geçerek
yükseldiği sıvı demir derinliğine bağlıdır. Dolayısıyla sıvı metalin magnezyum buharı ile
yıkandığı süre ve yıkanan derinlik magnezyum verimi açısından önemli olmaktadır.
Gerek reaksiyon şiddetini azaltmak gerekse optimum metalurjik şartları (örneğin döküm halinde
karbürsüz yapı) sağlamak için, genellikle magnezyum başka elementlerle alaşımlandırılır.
54
Küreleştirme işlemi ergitmeyi, yapılıyorsa kükürt gidermeyi, takip eder. Bazı uygulamalarda sıvı
metal bir “ön hazırlama” işlemine tabi tutulur. Bu işlemde çeşitli ilaveler kullanılırsa da, SiC
(silisyum karbür) ilavesi ile ön hazırlama, küreleştirme işleminin başarısını artırmakta, ayrıca
döküm yapısında karbür oluşumu meylini de azaltmaktadır.
Sıvı metale ilave edilecek magnezyum miktarı ile ilgili bir çok formül geliştirilmiştir. Bunlar
arasında en basit ve kullanımı en kolay olanı aşağıda verilmektedir:
% Mg (ilave edilen) = (İstenen Mg %si) / [Mg verimi (%) x 0.01] + Bileşimdeki S (%)
Bu bağıntıda seçilmesi en zor olan şartlara bağlı oran magnezyum verimine ait olandır. Bu oran
%10-90 arasında değişebileceğinden her uygulayıcı kendi şartları ve önceki tecrübelerinin
sonuçlarına göre bu oranı saptamak durumundadır. Aşırı magnezyum kullanmanın ekonomik
sakıncası yanında çekilme boşluğunun oluşumuna meyli arttırmak ve döküm yapısında
karbürleri meydana getirmek gibi önemli sakıncaları vardır. Bu nedenle bileşimde kalması
istenen magnezyum oranı ±%0.015 mertebesinde kontrol edilmelidir ki bu da bilinen
küreleştirme yöntemleri ile mümkün olabilmektedir.
Küresel grafitli dökme demir üretiminde küreleştirici olarak kullanılan ilaveler başlıca altı grup
altında toplanırlar.
1- Metalik magnezyum- Magnezyum metalik halde ya saf veya alüminyumla (düşük % de)
alşımlandırılmış olarak kullanılabilir. Reaksiyon oldukça şiddetlidir, bu sebeple daha
ileride açıklanacak ilave yöntemlerinde dikkatli seçim yapmak gerekir.
2- Nikel esaslı alaşımlar- Bunlar “ceriumlu” veya “ceriumsuz” olabilirler. Ostenitik tip
küresel grafitli dökme demir üretildiğinde cerium ilave edilmelidir.
3- Ferro silisyum esaslı alaşımlar- Bazı alaşımların kimyasal bileşimleri Tablo 4.4’de
gösterilmiştir. Bu alaşımlardan bazıları endüstriyel uygulamada büyük oranda
kullanılanlar olup, bazıları ise laboratuar veya dökümhanelerde deney amaçları için
kullanılmaktadır. MgFeSi alaşımları için en uygun parça boyutu 50 mm ile 3mm arasında
değişmektedir; daha incelerin Mg verimi daha düşük olacağından ekonomik
olmamaktadır.
4- Magnezyum emdirilmiş kok- Bu maddenin kullanın alanı daha çok küresel grafitli dökme
demir üretiminin dışında kalmaktadır. Yaklaşık %40 oranında Mg içerir. Magnezyum
emdirilmiş kok ucuz olmakla beraber, daldırma yoluyla ilave edildiğinde reaksiyon
şiddetli ve nispeten uzun (2 dakika veya daha fazla) olabilmekte ve dolayısıyla aşırı ısı
kaybına yol açmaktadır.
5- Mekanik olarak bağlanmış küreleştiriciler- En çok kullanılanların başında sünger demir
veya demir talaşı ile magnezyum talaşının karışımından briketleme ile elde edilenlerdir.
Magnezyum oranı ortalama %15 ila 20 arasındadır. Magnezyum oranı arttıkça reaksiyon
şiddeti de artar.
6- Magnezyum içermeyen küreleştiriciler- Bunlardan en çok bilinen ve kullanılanlar Tablo
5.5’de verilmektedir.
55
Tablo 5.4: MgFeSi alaşımlarının kimyasal bileşimi3.
56
Tablo 5.5:Magnezyum içermeyen küreleştiriciler3.
Laboratuar deneyleri S-2 nolu alaşımın, küreleştirici olarak MgFeSi dan daha uygun olduğunu
ortaya koymaktadır. S-3 ila S-6 alaşımları ise nadiren yalnız olarak ilave edilirler; genellikle, Mg
içeren ilave maddeleriyle beraber kullanılırlar.
Genel olarak magnezyumun ilavesindeki verim, kullanılan alaşımdaki Mg oranı azaldıkça artar;
verim aynı zamanda magnezyumun sıvı metale hangi yöntem ile ilave edildiğine de bağlıdır3.
5.2.1. Magnezyum ilave yöntemleri
Çok çeşitli yöntemler arasında başlıcaları: Açık potada işlem, örtülü potada işlem, gözenekli tıpa
veya karıştırma şekilleri ile işlem, daldırma, M.A.P., yollukta ilave, konverterde işlem, basınçlı
pota, metalik magnezyum enjeksiyonu, magnezyum çubuk veya teli ile işlem yöntemleridir.
- En çok kullanılanların başında açık potada işlem yöntemi gelir. Burada işlemin yapılacağı
potanın dibine magnezyum alaşımı yerleştirilir ve üzerine sıvı metal dökülür. İşlemin yapıldığı
potaların dar ve derin olması tercih edilir. Bundan amaç magnezyum buharı ile sıvı demir
arasındaki şiddetli reaksiyonun pota içindeki gerçekleşmesini sağlamaktadır. Magnezyum ile
reaksiyon sonucu , magnezyum sülfür ve magnezyum oksit içeren ve sıvı üzerinde yüzen bir dros
tabakası oluşur ve sıyrılarak alınır. Yöntemin başlıca avantajları maliyetinin düşük ve sıcaklık
kaybının az oluşudur. Başlıca dezavantaj olarak ise magnezyum veriminin az oluşu gösterilebilir.
Magnezyum verimi açık pota yönteminin bir değişik türü olan sandöviç yöntemi ile arttırılmıştır.
Yapılan değişiklik magnezyum alaşımını pota dibinde hazırlanan bir hazne içine yerleştirmek ve
üzerine çelik plaka, demir kırpıntı, ferrosilisyum, maça kumu v.b. malzeme ile örtmekten
ibarettir. Bu suretle sıvı metal işleme potasını hiç olmasa kısmen dolduruncaya kadar reaksiyon
geciktirilmiş olur ve daha yüksek bir magnezyum verimi elde edilir. Magnezyum verimi esas
olarak işlem sırasındaki sıcaklığa bağlıdır (Şekil 5.12). Sıcaklığın artışı verimi azaltıcı rol oynar.
57
Şekil 5.12: Artan sıcaklıkla azalan tipik magnezyum verim değerleri3.
- Daldırma yönteminde ise genellikle %40 veya daha fazla magnezyum içeren alaşım refrakter
malzemeden veya grafitten çan şekilli delikli bir kap içine konulur, bu kap sıvı demir potasına
daldırılır. Daldırma yöntemi, artık magnezyum seviyesinin çok daha iyi kontrol edebilme
olanağını sağlar ve açık potaya nazaran daha yüksek magnezyum verimi elde edilir. Magnezyum
emdirilmiş kok, veya demir magnezyum briketleri için de aynı yöntem kullanılabilir.
Belirtilebilecek başlıca dezavantajı, sıcaklık kaybının açık pota yöntemine nazaran daha fazla
oluşudur.
- M.A.P. yöntemi patentli olup, küreleşmeyi birkaç kat refrakter ile sıvanmış ve tabanında
reaksiyonun başlaması için küçük bir yüzeyin açık bırakıldığı blok halindeki magnezyum ile
gerçekleştirir. Bu blok refrakter kaplı bir çubukla sıvı metale daldırılır reaksiyon süresi 30 ila 40
saniye kadardır. Magnezyum verimi, 1400 °C ta %65 olarak belirtilmektedir. Ancak verimin
işlem sıcaklığı arttıkça azalacağı açıktır (Şekil 5.12).
-Yollukta magnezyum ilavesi (Inmold) yöntemi: Adından da anlaşıldığı gibi kalıp içinde
gerçekleştirilen bir küreleştirme işlemidir (Şekil 5.13). Kullanılan küreleştirici genellikle (Fe-SMg) alaşımıdır. Reaksiyon yolluğun bir kısmı olarak hazırlanan bölümde (reaksiyon odası)
meydana gelir.
58
Şekil 5.13: Inmold yöntemi3.
Yöntemin başlıca avantajı mükemmel denebilecek magnezyum verimidir, ayrıca magnezyumlu
buharlar ile çalışma yeri havasının kirlenmesi de söz konusu değildir. Dezavantaj olarak ise,
döküm veriminin düşük oluşu ve her döküm parçasının mikroyapısının ayrı kontrol edilmesi
durumu gösterebilir.
- Konverterde işleme yöntemi bilinen eski bir yöntem olmakla beraber Fisher’in getirdiği
yenilikle Fisher konverter olarak adlandırılmaktadır. Şekil 4.14’de görüldüğü gibi konverter
tabanı köşesine dışardan bir kapak arcılıyla saf magnezyum yerleştirilir. Sıvı metal
doldurulduktan sonra konverterin ağzı kapatılır ve reaksiyon ürünü gaz ve dumanın dışarı
çıkması önlenir. Sistemin başlıca avantajı en ucuz küreleştirici olan saf magnezyum kullanma
olanağıdır.Ayrıca sıvı demirdeki kükürt oranı daha yüksek olabilir. Dezavantaj olarak ise bu
yöntemi kullanan dökümhanelerin yüksek üretim kapasitesine sahip olma gerekliğidir. Zira
küçük konverter boyutlarında sıcaklık kaybı daha önemli olacaktır; bir başka dezavantaj olarak
da konverterin iç astarının sık değiştirme gereğidir.
Şekil 5.14: Şematik olarak konverter yönteminde küreleştirme işlemi3.
- Magnezyum tel veya çubuk kullanarak küreleştirme işlemini gerçekleştiren yöntemlerde, bu tel
veya çubuk potanın altına yakın bir delikten sıvı metal içine uzatılmaktadır.
- Basınçlı pota yöntemindeki son gelişmelere göre normal pota bir basınçlı oda içine yerleştirilir
ve dolayısıyla magnezyumun buharlaşması önlenmiş olur. Gerekli olan basınç 1500 °C’ta 0.1
N/mm2 civarındadır. Bu yöntem sakin bir reaksiyon ve yüksek magnezyum veremi sağlar; hatta
metalik magnezyum da kullanılabilir.
59
Küreleştirme işlemlerinin çok çeşitli oluşu avantaj ve dezavantajları karşılaştırıldığında
aralarından birinin kesin tercihi mümkün olmamaktadır. Türkiye’de yaygın olarak kullanılan
sandöviç yöntemidir ve muhtemelen de en kolay olan ve dünyada da en çok tercih edilendir.
Çeşitli yöntemler arasında karşılaştırmada baş etken magnezyum verimidir. Toplam magnezyum
verimi bir çok faktöre bağlı olarak değişir. Kullanılan küreleştirici cinsi ve belli başlı üç
küreleştirme işlemi için magnezyum verimleri Tablo 5.6’da verilmiştir.
Tablo 5.6: Alaşım cinsi ve küreleştirme işleminin tipine bağlı olarak magnezyum verimi (%
olarak)3.
Küreleştirme grafitli dökme demir üretiminde kullanılan küreleştirici elementlerin müşterek ve
önemli bir özelliği de kükürt’e karşı çok yüksek afiniteleridir; daha önce de belirtildiği gibi bu
husus, küresel grafitli dökme demir üretiminde kükürdü düşük pik ile işe başlamanın veya sıvı
demirdeki kükürt’ü istenen seviyeye düşürmek gereğinin ana nedenidir.
Sıvı demirdeki kükürt istenilen seviyeden yüksek ise küreleştirici elementler kükürt ile
reaksiyona girerek stabl bileşikler oluştururlar. Bu durumda küreleştirici görevini çok düşük
verimle yapabilmekte ve fazla küreleştirici kullanımına yol açmaktadır. Magnezyum ile
işlemeden önceki kükürt % si ile ilave edilen magnezyum oranının yapı üzerindeki etkisi şekil
5.15’de gösterilmiştir3.
Şekil 5.15: a) Bileşimdeki kükürt oranına göre, artık magnezyum % si (Döküm halinde &90
küreleşme için), b) Bileşimdeki kükürt oranına göre küreleşme % si (%0.043 Mg-%0.015 Ce)3.
60
5.3. Aşılama (Inokülasyon)
Bu işlemin amacı ergimiş metale katılaşmanın üzerinde oluşacağı çekirdekleri sağlamaktır.
Çekirdek görevi görecek tanecikler katılaşan fazın aynı olabildiği gibi bir başka malzemeden de
olabilir (Heterojen çekirdeklenme).
Bu tanecikler ilave edildikleri sıvı metal içinde katılaşma başlayana kadar erimedikleri zaman
yeni kristallerin oluşması ve büyümesi için en uygun zemini oluştururlar. Daha fazla sayıda
grafit küresi, daha fazla sayıda grafitleşme merkezi demektir. Dolayısıyla aşılama grafitleşme
meylinin artışına ve karbür oluşumunun azalışına sebep olmaktadır. Bu nedenle aşılamanın
başlıca iki amacı vardır: a) çekirdek sayısını arttırmak, b) karbür oluşumunu önleyerek mekanik
özellikleri arttırmaktır.
Küresel grafitli dökme demirde en verimli aşılayıcılar ferro-silisyum alaşımlarıdır. Bu alaşımlar
çeşitli sınıflar halinde üretilirler. En çok bilinenler %50 ila %80 silisyum içerenlerdir. Bu
aşlımlar çoğunlukla kalsiyum da içerirler. Bazı aşılama alaşımları Tablo 5.7’de verilmektedir.
Tablo 5.7: Bazı aşılama alaşımların nominal kimyasal bileşimleri3.
Standart aşılayıcılardan başka karışık olarak tanımlanabilecek aşılama maddeleri vardır (Tablo
5.8). Bunların ferro silisyum esaslılara olan başlıca üstünlükleri, arzu edilen sonuca erişmek için
ilave edilecek miktarın daha az oluşu, dolayısıyla maliyetin azalışı ve yine daha az ilaveden
dolayı bileşim değişikliğinin çok az oluşudur. Uygulamada en yaygın olarak kullanılan
aşılayıcılar ferro silisyum esaslılardır.
Tablo 5.8: Bazı karışık aşılayıcıların kimyasal bileşimleri3.
61
Aşılama maddesinin hangi oranda ilave edileceği ise çok sayıda değişkene bağlıdır. Bunların
başlıcaları: sıvı metal bileşimi, döküm sıcaklığı dökülen parça kalınlığı, kalıp malzemesi,
ergitme ortamı ve döküm süresidir. Dolayısıyla çok sayıda değişken sabit bir aşılama miktarının
tespitini imkansızlaştırmaktadır. Küresel grafitli dökme demirle yapılan deneyler %75 veya
%85’lik ferro silisyumun %0.5-1.0 (dökülen parça kalınlığına göre) oranlarında ilavesinin en iyi
sonuçları verdiğini göstermektedir. İnce kesitler, kalın kesitli olanlardan daha fazla aşılayıcı
gerektirirler.
Aşılama için çeşitli yöntemler uygulanabilir, bunların başlıcaları: potada aşılama, oluk aşılaması
ve kalıp aşılamasıdır. Aşılama maddelerinin en iyi ilave şekillerinden biri fırının boşaltma
ağzından çıkan metalin içine aşılama maddesi ilave etmektir. Aşılamanın yapılacağı zamanın
kaba bir yaklaşımla tayini şöyle yapılabilir: aşılama ilavesi potanın dibinde 10-15 cm sıvı metal
varken yapılır ve böylece hızlı ergitme ve sıvı metalle tamamen karışma gerçekleşebilir.
Bazı dökümhanelerde aşılama maddesi magnezyum ile beraber ilave edilir. Ancak bu yöntemin
pek etkin olduğu söylenemez; bazılarında ise iki veya üç kademede aşılama yapılmaktadır; fakat
aşılamanın etkisi zamanla kaybolduğundan sıvı metalin her aktarılışında yeni bir miktar aşılayıcı
gerekli olmaktadır.
Bir de yukarıda açıklanan işlemlerden sonra yapılan kalıp aşılaması vardır. Bu aşılamada bir
miktar aşılama maddesi parçalar halinde yolluğa yerleştirilir.
Aşılama işleminde dikkat edilecek hususların başında aşılama maddesinin tamamen kuru olması
gereği gelir, aksi halde döküm yüzeyinde karıncalanma hatasına neden olabilir. Aşılama
maddesinin boyutu hızlı ergiyecek kadar küçük ve hemen okside olmayacak ve ani patlama
göstermeyecek kadar büyük olmalıdır. Sıvı metal aşılama esnasında cüruftan tamamen arınmış
olmalıdır. Bir genelleme olarak iyi bir sonuç almak için mümkün olduğu kadar geç aşılamak
gerekir, aşılamadan sonra geçen zamanla aşılamanın etkisi kaybolduğu gibi, bu zaman ısı
kaybına da yol açmaktadır ve düşen ısı grafit küre sayısını da azaltacaktır. Ayrıca aşılama
sıcaklığı ne kadar yüksek ise aşılama verimi de o kadar düşük olur (Şekil 5.16).
Şekil 4.16: Aşılama üzerine sıcaklığın etkisi3.
62
Dolayısıyla aşılamanın mümkün olan en düşük sıcaklıkta ve en son anda yapılması en uygun
sonucu verecektir3.
5.4. Dökümhane ve Döküm Özellikleri
Küresel grafitli dökme demirler çoğunlukla yaş veya kuru kum kalıba dökülürler. Küresel grafitli
döküm demir için döküm ortamı, gri dökme demir için olanla aynıdır, ancak birincisinde
kumdaki nem oranı daha dikkatli kontrol edilmelidir, bunun nedeni, magnezyum ilave edilmiş
sıvı metalin kolay oksitlenebilmesidir. Kum içindeki toplam yanıcı madde oranı %6-7 ile
sınırlanır. Kullanılan kum karışımı ve kalıplama işlemleri gri dökme demir için belirtilen
prensiplere uymaktadır.
Magnezyum ilavesi ve aşılamadan sonra dökme demirin son kimyasal bileşimini tespit etmek
için numune alınır. Burada önemli olan, artık magnezyum oranının belirlenmesidir; bu amaçla
grafitsiz (çil uygulanmış=hızlı soğutulmuş) numunelerin spektrografik analiz tercih edilir.
Bileşim kontrolü açısından basit bir yöntem karbon ekivalanı nı soğuma eğrisinden elde
etmektir. Ancak ölçümün doğru olması, soğuma eğrisinin alınacağı numunenin beyaz dökme
demir olarak katılaşmasını (grafitsiz) gerektirir. Karbon ekivalanı soğuma eğrisindeki ilk
duraklama ile ötektik duraklaması arsındaki sıcaklık farkına bağlı olmaktadır.Diğer elementlerin
küçük etkileri ihmal edildiğinde ötektik duraklamasının mutlak değeri silisyum miktarına
bağlıdır; dolayısıyla (Toplam karbon= C1Tb - C2Tö - C3 ) bağıntısı ile belirlenir. C1, C2 ve C3
malzeme ile ilgili sabitlerdir. Tb ve Tö birinci ve ötektik duraklama sıcaklıklarını göstermektedir.
Sabit değerler tablo veya cetvellerden bulanabilir. Toplam karbon ve karbon ekivalanı
bilindiğinde silisyum oranı Si % = C4 (Karbon ekivalanı – Toplam C %) bağıntısından
bulunacaktır. Burada C4 yaklaşık 3.4 dür, ancak kesin değer ayrı olarak yapılan silisyum analizi
ile saptanabilir.
- Deney kuponları: Rutin kontroller veya alıcı isteği üzerine yapılan çekme deneyi numuneleri
şekil 5.17’de gösterilen “Keel Blok” dökümden çıkarılır.
Bu bloklar kuru kum kalıpta yapılır ve kalıpta soğumaya bırakılır. Deneyeler, ya dökülmüş halde
veya istendiğinde tavlanarak, bloğun alt kısmından islenerek çıkarılan standart numunelerle
yapılır. Tablo 5.9’da verilen mekanik özellikler bu şekilde dökülen çubuklardan elde edilmiştir.
Ayrıca “Y Blokları” adı verilen bloklar da çekme deneyi numunelerin çıkarılmasında
kullanılmaktadır.
Dökümhaneler için diğer rutin kontrol de metalografik incelemedir. Bu amaçla numuneler
genellikle dökümün en kalın kesitine bitişik olacak şekilde tercihen maça kumu içersine yaklaşık
olarak (1.9X1.9X1.3 cm) boyutlarında dökülürler. Numune kızıl renk kaybolana kadar kalıpta
soğumaya bırakılır ve sonra suda soğutulur; kalın kesitten kırılarak ayrılır ve zımparalanarak
parlatılır. Parlatmanın çok iyi olması şart değildir; bütün işlem 3 dakika da tamamlanabilir. 100
büyütmede metalurjik mikroskop yardımıyla grafitlerin küre şekilli olup olmadığı hakkında fikir
sahibi olunur; bu numunelerden elde edilen sonuç büyük olasılıkla dökümün tümü için gerli
olmaktadır.
Grafit şeklinin döküm sıcaklığına dökülen parçanın kesit boyutlarına ilave edilen küreleştiricinin
efektif miktarına, aşılamaya ve dökme demirin ana bileşenine bağlıdır. Dolayısıyla düşük döküm
sıcaklıkları, kalın kesitler, yetersiz magnezyum ilavesi, aşılamanın yapılmayışı veya yetersiz
oluşu ve düşük karbon ekivalanı grafit şeklinin küreden sapmasına yol açacaktır. Ancak burada
63
bir defa daha hatırlatmak yerinde olacaktır ki yüksek karbon ekivalanına (5.6’dan fazla) sahip
küresel grafitli dökme demirlerde patlamış tipte grafit oluşumu veya büyük boyutlu ve dökümün
üst yüzeyine yakın grafit birikmekleri söz konusu olabilir.Ayrıca gri dökme demirde olduğu gibi
küresel grafitli dökme demirde de katılaşma esnasında ötektik karbür oluşumu mümkündür. Bu
primer karbürlerin önlenmesi yeter derecede yüksek bir karbon ekinvalanı ve uygun sayıda grafit
kürelerinin oluşumuna balıdır.
Yine döküm parçalarında özellikle üst yüzeylerde magnezyumlu bileşiklerin (magnezyum oksit
veya silikat) sebep olduğu hatalar görülebilir bunlar da yüksek döküm sıcaklığı, fazla
magnezyum ve yolluk sistemindeki çalkantılardan meydana gelir3.
5.4.1. Yolluk ve Çıkıcı Uygulanması
Küresel grafitli dökme demire yeterli miktarda magnezyum ilave edildiğinde dökme demir kolay
oksitlenir; dolayısıyla dökme işlemi ve yolluklandırma uygulamaları bu özellik göz önüne
alınarak yapılır. Örneğin döküm sıcaklığı 1400 °C’ın altına düştüğünde oksidasyon ürünleri daha
kolay oluşur; bu nedenle 1430 °C veya daha yüksek döküm sıcaklıkları, dros oluşumunu
önlemek için tercih edilir.
Gri dökme demir ile karşılaştırıldığında, magnezyum ilavesi dökme demirin yüzey gerilimini
artırmaktadır. Bu sebeple kum kalıbın sıvı metal ilavesi ile ıslanması kolay olmamakta ve kum
veya metal sızması gibi, genellikle demir esaslı alaşımların dökümhanelerde karşılaşılan
problemler azalmaktadır.Küresel grafitli dökme demir için yolluk sistemi aşağıda belirtilen
şartları yerine getirecek şekilde dizayn edilmelidir.
- Curuf ve pislik döküm boşluğuna girmeden yolluk sistemi içinde tutulmalıdır.
- Sıvı metal kalıp içine mümkün olan en az çalkantıyla girmelidir.
- Metalin kalıp boşluğuna giriş hızı kontrollü olmalıdır.
- Sıvı metal kalıba en iyi şekilde dağıtılmış olmalıdır.
Başlıca iki temel tip yolluk vardır, bunlar basınçlandırılmış ve basınçsız tipte yolluklardır.
Basınçlı tabir edilen yollukta kalıbın dolma hızı yatay yolluk ve giriş yollukları arasındaki
bağıntının kesit alanı ile kontrol edilmektedir. Basınçsız olarak adlandırılan da ise kalıbın dolma
hızı, aşağı doğru daralan düşey yolluk taban kesit alanı ve yatay yolluğun düşey yolluğa
bağlantısının kesit alanı ile kontrol edilir. Her iki sistemde de kontrol görevini gören bu kesit
alanına “choke” (şok) veya (boğaz) adı verilir. Gerçekte bütün yolluk sistemlerinde basınç vardır
ancak bu ayırımla basınçlı tabir edilenlerde sıvı metal hızı ve basıncı diğerlerine nazaran daha
yüksek olmaktadır. Boğaz hemen hemen istisnasız kalıba yırma yüzeyine yerleştirilir; dolayısıyla
sıvı metalin kalıbı doldurma hızı aşağıdaki gibi hesaplanır (Şekil 5.17).
Şekil 5.17: a) Basınçlı yolluk sistemini şematik görünüşü. b) Başınçlı yolluk sisteminde yatay
yolluktaki boğazın şematik görünüşü3.
64
- Sıvı metal hızı V = c 2 gh
Burada c= Sürtünme kayıp faktörü (Şekil 5.18)
h= Döküm havuzundaki metal seviyesi ile şok arasındaki düşey mesafe
g= Yer çekimi ivmesidir dolayısıyla
- Kalıbı doldurma hız R = Aş.c. 2 gh olacaktır.
Burada ise Aş= Boğaz kesit alanıdır.
Şekil 5.18: Sürtünme kayıpları için yaklaşık değerler3.
Sıvı metalin kalıba dolma süresinin özellikle seçilmediği durumlarda döküm ağırlığına göre
“boğaz” kesiti şekil 5.19’den bulunabilir. Ancak çoğu kez uygun bir yaklaşımla kalıbın dolma
zamanın önceden bilinmesi, hem üretimin sürekliliği hem de bu süre ile çekilme boşluğu
oluşumu arasındaki ilişki açısından gerekli olmaktadır. Döküm süresinin hesaplanmasında;
sürtünme kayıpları yanında kalıp içinde sıvı metal yüksekliğinin şok seviyesinin geçtiği anda
(Şekil 5.20) başlayan geri basıncın da göz önüne alınması gereklidir3.
Şekil 5.19: Şok kesit alanının seçim grafiği3.
65
Şekil 5.20: Dolma durumunda bir kalıbın şematik gösterişli3
t= Döküm süresi (san)
Vu=Üst derecedeki döküm hacmi
VA= Alt derecedeki döküm hacmi ve şekildeki sembollerle boğaz kesiti bağıntısı:
Aş =
1
(c.t. 2 g )[(V A / H )
+
3b
(V Ü /( H 3 + ( H − b) 3 )
2
Bir genelleme olarak basınçlı sistemlerse 4:8:3 gibi yolluk oranı tercih edilir, ayrıca yatay yolluk
yüksekliğinin genişliğinin iki katı giriş yolluklarında ise genişlin kalınlığın dört katı olması
önerilebilir.
Küresel grafitli dökme demir için döküm süresinin metal ağırlığı cinsinden belirtilen basit bir
bağıntı Rosenthall tarafından aşağıdaki şekilde verilmiştir7
Döküm süresi= 0.65 √Döküm ağırlığı
5.4.2. Çıkıcı Sistemi
Küresel grafitli dökme demir, lamel grafitli olanına nazaran oldukça farklı bir mekanizma ile
katılaştığından bunlar için çıkıcılandırmanın da farklı olacağı açıktır. Küresel grafitli dökme
demirlerde katılaşma, çelik ve lamel grafitlide olduğu gibi kalıp-metal ara yüzeyinden metal
içine doğru tabakalar halinde olmamaktadır. Aksine dökümün her tarafından katı-sıvı karışımı
olacak şekilde ve genişçe bir sıcaklık aralığında olmaktadır. Çekilme boşluklarının oluşum
mertebesi büyük ölçüde metal bileşimine bağlıdır. Hipoötektik alaşımlar hiperötektiklere nazaran
daha büyük çekilme boşluğu gösterirler.
Küresel grafitli dökme demirin katılaşma esnasındaki hacim değişiklikleri olarak şekil 5.21’de
gösterilmektedir.
66
Şekil 4.21: Küresel grafitli dökme demirde sıvı-katı dönüşümünde hacim deşikliği3.
Hacimsel büzülme veya çekilme şekil 5.21’de görüldüğü gibi kesit kalınlığına bağlı olarak
farklılık gösterebilmektedir. Ayrıca bu davranış kimyasal faktörler (%Mn ve %Si) ile
karbürleşme ve grafitleşmenin etkisine de tabidir. Genel olarak istenen kesikli çizgi ile gösterilen
davranıştır. Çünkü bu durumda karşılanması gereken toplam çekilme %si daha düşük olacaktır.
Ayrıca sıvı metal henüz katılaşırken hacimdeki ani şişmenin doğuracağı basınç kalıbı
bozabilmektedir. Hacimde meydana gelen artış bir görüşe göre grafitin submikroskobik
çökelmesinden değil, fakat gaz tarafından oluşturulmaktadır. Şekil 5.21’de görüldüğü gibi
hacimdeki artış katılaşma sıcaklığının oldukça üstündeki bir sıcaklıkta başlamaktadır.
Küresel grafitli dökme demir için uygun çıkıcılandırma teknikleri 4 grup içinde toplanabilir:
a)
b)
c)
d)
Konvansiyonel (bilinen) çıkıcılandırma tekniği
Basınçlı çıkıcılar
Çıkıcısız dizayn
Basınç etkisi giderilmiş çıkıcılar
-Bilinen teknik: Katılaşmanın soğuk uçtan kalın kesitlere doğru yönlendirilmesi ve uygun
boyutlara sahip çıkıcının katılaşma yolunun sonuna gelecek bir bölgeye yerleştirilmesi
şeklindedir. Dolayısıyla kalın kesitler ince kesitleri beslerken, kendileri de çıkıcı tarafından
besleneceklerdir; herhangi bir kesitteki genleşmede sıvı metal çıkıcı içine geri dönebilecektir.
Ancak hatırlanması gereken husus, parça şekli karmaşıklaştıkça yönlenmiş katılaşmayı
sağlamanın giderek zorlaşacağıdır. Bu durumda yönlenmeyi sağlayan çillerin kullanılması,
kalıplamada parça kalın kesitlerinin üst dereceye gelecek şekilde olması, çıkıcılarda sıcak başlık
kullanma, olduğunca sıcak döküm yapmak gibi önlemlere başvurulur.
-Basınçlı çıkıcılar: Sıvıdaki çekilme katılaşma sıcaklığına erişinceye kadar çıkıcı tarafından
karşılanmaktadır. İkincil çekilme ise hacimsel artışı izlemektedir. Bu safhadaki gerekli sıvı metal
beslenmesi olmazsa çekilme boşluğu oluşacağı açıktır.Dolayıyla katılaşma esnasında bir hacim
artışı (grafitleşme) ve bir hacim azalışı (sıvı-ostenit dönüşümü) olmaktadır. Şekil 5.21’den
görüldüğü gibi grafit oluşumu nedeniyle meydana gelen hacimsel artışından dökümün
beslenmesi için yararlanmak istendiğinde, sıvı metalin döküm parçasından çıkıcıya geri dönmesi
engellenmelidir. Bu durum ise, çıkıcı-parça bağlantısının, katılaşmada hacim artışının başladığı
67
anda, donması ile sağlanabilir. Katılaşma sıcaklığına erişinceye kadar dökümden dışarı çıkan ısı
(döküm sıcaklığı-katılaşma sıcaklığı) farkına bağlı bir mertebedir.
Q / A= M.ρ.c (TD-TK)
Burada: Q= Isı, A= Yüzey alanı olup Q/S= cal/cm2
M= Modül veya (hacim/soğutma yüzeyi) değeridir (cm)
c= Özgül ısıdır (cal/gr.°C)
TK= Döküm sıcaklığıdır, °C
TD=Katılaşma sıcaklığıdır, °C.
Çıkıcı-parça bağlantısının katılaşmanın başladığı anda donabilmesi için, bu bağlantıdan ısı çıkış
hızının Q/A ya eşit olması gerektiğinden:
Q/A= Mb.ρ[c(TD-TK) + HE], yazılabilir.
Burada Mb= Bağlantının modülü, (cm)
HE= Ergime veya katılaşma gizli ısısı cal/gr dır.
Belirtilen eşitlikten aşağıdaki bağıntı elde edilir.
M.ρ.c(TD-TK)= Mb.ρ.c[(TD-TK) + HE]
Mb=M.c. (TD-TK) /[c(TD-TK) + HE]
Bu bağıntıda kayıplar ve katılaşma kinetiği ile ilgili düzeltmeler yapılarak çizilen
diyagramlardan bağlantı modülü doğrudan seçilebilir. Bu yöntemde önemli bir diğer husus ta
döküm sıcaklığının bağlantı dizaynına bağlı olarak minimum et kalınlığına göre seçilmesidir
(Şekil 5.22).Ayrıca çıkıcıların daima kalıpta en üst seviyeye yerleştirilmeleri ve çıkıcının döküm
parçasına bağlandığı yerde parçanın o kesimine ait modülün bağlantı modülüne eşit veya daha
büyük olması dikkat edilecek hususlardır.
Şekil 4.22: Önerilen optimum döküm sıcaklıkları3.
68
-
Çıkıcısız dizayn, en ekonomik ve ilgi çekici bir yöntem olup yine grafit oluşumu ile
hacimdeki artıştan yararlanma prensibine dayanmaktadır. Kalıba döküm işlemi
tamamlandığı anda hacimsel artışın olabilmesi için döküm sıcaklığının 1345 °C veya
daha az olması gerekmektedir. Yine aynı nedenle döküm nispeten kalın kesitli (en aza
30-40 mm veya ana kesitin V/A oranı 25 mm den büyük) olmalıdır; kesit kalınlaştıkça
hacimsel artış daha erken başlamaktadır. Çıkıcısız dizayn için bir diğer husus da sıvı
metalin metalurjik durumunun grafitik katılaşmaya elverişli olmasıdır. Bir başka deyimle
yüksek karbon ekivalanı (4.20-4.25), düşük manganez içeriği (max. %0.2) ve iyi bir
aşılama pratiği gerekmektedir. Grafit oluşumu ile meydana gelen hacimsel artışın ikincil
çekilmeyi karşılayabilmesi için bütün giriş yolluklarının bu anda, tamamen katılaşmış
olması gerekir; bu nedenle yollukların, döküm sırasında katılaşmayacak kadar, ince
olması (~ 13-16 mm) gerekmektedir. Basıncı karşılamak için, kalıbın sıkı dövülmüş
tamamen kurutulmuş olması da unutulmamalıdır. Radyasyon ısısıyla kalıbın aşırı
ısınmasını önlemek için hızlı döküm yapmak şarttır. Şekil 5.23’de dökülen parça
ağırlığına göre döküm süreleri verilmektedir. Hızlı dökümü kolaylaştırmak için üst
dereceye açılan hava kaçış yolları (13-15 mm çapında) büyük yarar sağlamaktadır.
Şekil 4.23: Küresel grafitli dökme demir için önerilen döküm süreleri3.
Basınç etkisi giderilmiş veya kısmen giderilmiş çıkıcılar küresel grafitli dökme demir
üreticilerinin en çok kullandığı sistem olmaktadır. Bu sistemde, dökümün hacimsel genleşme
sırasında çıkıcıya geri beslemenin gerçekleşmesine müsaade edilir, ancak yeter derecede (x)
basınç bırakılır ki (y) deki büzülme veya çekilme karşılanabilsin (Şekil 5.24).
69
Şekil 5.24: Hacim değişikliği kademeleri3.
Şekil 5.24’ de gösterildiği gibi döküm sıcaklığında kalıp doldurulduktan sonra (1), sıvı metalde
sıcaklık düşüşü ile beraber büzülme (2) başlar, (3) de genleşme başladığında ise çıkıcı döküm
bağlantısı, çıkıcıya geri beslenmeye izin verecek genişliktedir. Bu çıkıcı dizaynının
gerçekleştirilmesindeki esaslar aşağıda belirtilmektedir.
-
-
Hemen her zaman kör besleyiciler kullanılmalıdır, açık çıkıcılar kullanılmaz
Gerek besleyici gerekse besleyicinin dökümle bağlantısı geri beslemeye uygun olacak
boyutlarda seçilmelidir.
Genellikle, kalın kesit (> 13 mm) adedi kadar besleyici gerekebilmektedir. Besleme giriş
yolluğu besleyiciye bağlanır, ancak yolluk kesiti küçük olmalıdır ki (6 mm den küçük
kalınlıkta, ancak genişlik ve uzunluk= 4x. kalınlık olacak şekilde) döküm havuzu
besleyici beslemesin.
Son olarak hızlı ve yüksek sıcaklıkta döküm yapmak gereklidir3.
5.5. Küresel Grafitli Dökme Demirlerin Isıl İşlemleri
Isıl işleme son derece uygun olduklarından küresel grafitli dökme demirler, özellikleri çok geniş
bir aralıkta değişecek şekilde üretilebilirler. Matriksteki karbon miktarı, alaşım ilavesi,
dökümhane işlemlerinin kontrolü ve/veya ısıl işlemlerle, yaklaşık olarak, sıfırdan %0.80 ve
fazlası, arasında herhangi bir değere ayarlanabilir. Buna göre matriks yapısı, tamamen ferrit,
perlit-ferrit tamamen perlit, martensit, beynit (bazı özel alaşımlarda karbür içerebilir) veya
tamamen ostenit olabilmektedir.
Yapılan işlemler kontrol edilerek, ısıl işleme ihtiyaç kalmadan şartnamelere uygun bir küresel
grafitli dökme demir üretilebilir. Bununla beraber gerek gerilim giderme gerekse istenilen
özelliklerin elde edilmesi amacıyla, küresel grafitli dökme demirlerde genellikle ısıl işlemler
uygulanır. İlave edilen alaşım elamanlarının davranışı aynı gri dökme demirde olduğu gibidir.
Başlıca ısıl işlemler benzerdir.
Özet olarak ısıl işlemler gerilim gidermek, döküm halindeki karbürleri parçalamak, matriks
yapısını değiştirmek, yüzeylerin sertleşmesini sağlamak ve temper gevrekliğini minimuma
indirmek amacıyla uygulanırlar. İkisi dışında bütün ısıl işlemler belli bir sıcaklık aralığında
metalografik yapının dolayısıyla özelliklerin değişmesi esasına dayanırlar. Dökme demirin
70
metalografik yapısının değişim sıcaklığı içerdiği silisyum oranına bağlı olarak farklılık gösterir.
(Şekil 5. 25)3.
Şekil 5.25: Silisyum oranına bağlı olarak ferrit-ostenit dönüşüm sıcaklığının değişimi3.
5.5.1- Gerilim Giderme Isıl İşlemi
Bu işlem daha çok yüksek sıcaklıklarda boyut hassasiyeti istendiğinde uygulanır. Boyut ve
şekline bağlı olarak hemen hemen bütün döküm parçaları katılaştıktan sonra iç gerilimler
içerirler. İç gerilimleri maksimum oranda gidermek için, parça 538°C - 677°C sıcaklık
aralıklarında kesit kalınlığının her 2.5 cm’si için 1 saat olacak şekilde tutulur ve 300°c’a kadar
550°C/saat hız ile sonra havada soğutulur3.
5.5.2. Yumuşatma Isıl İşlemleri
Bu işlemlerin başlıca a) Mevcut olan karbürleri parçalamak, b) Ferritik bir matriks oluşturmak
gibi iki amacı vardır.
Tam Tavlama: Karbürlerin parçalanması 900°C’ta 2 saat beklemekle gerçekleştirilebilir. Kalın
kesitli döküm parçaları için sıcaklığı homojenleştirmek amacıyla her 2.5 cm için 1 saat fazla
bekletme yapılır. Beklemeden sonra parça 690°C’a soğutulup bu sıcaklıkta 5 saat (her 2.5 cm
kalınlık için 1 saat fazla)süre bekletilir ve oda sıcaklığında soğutulur.
Bileşiminde perliti stabilize eden elementlerin (bakır, manganez vb.) oranları düşük miktarlarda
ise küresel grafitli dökme demirler için yukarıda belirtilen uzun süreli sıcaklıkta bekletme işlemi
gerekmez; yapıyı tamamen ferritik yapmak için kritik dönüşüm sıcaklığının (Şekil 5.25) altına
71
yavaş soğutmak (20-50 °C/saat yeterli olabilir. Manganez veya bakır oranı arttıkça soğuma hızı
da azalan değerlere doğru kaymalıdır.
Kritik Sıcaklık Altında Tavlama (Subcritical Annealing): Dökülen parçaların karbürsüz ve
tamamen ferritik yapıda olabilmeleri için, kritik dönüşüm sıcaklığının (A1), 55 °C altında
yaklaşık 5 saat tutmak ve parça kalınlığının her 2.5 cm’si için fazladan 1 saat bekletmek nihayet
595 °C’a kadar yavaş soğutup sonra havada soğutmak gerekir3.
5.5.3. Sertleştirme Isıl İşlemleri
Genel olarak normalleştirme ile su verme ve temperleme işlemlerini kapsar.
Normalleştirme: Yapıyı ostenit haline getirmek için gerekli sıcaklık, karbürler mevcutsa 900 °C
olarak, değilse A1 sıcaklığının 30 °C üstünde seçilir, bu sıcaklıkta bekletme süresi 1 saat +
kalınlığın her 2.5 cm için 1 saat şeklinde olmalıdır. Soğutma ise genellikle sakin havada yapılır.
Kalığı 25 cm’den fazla olan parçalarda normalleştirmeyi kolaylaştırmak için %0.5-2 oranlarında
Cu ilave edilir (bakır oranı artan kalınlıkla artar). Normalleştirmede nispeten hızlı soğumanın
doğuracağı gerilimleri gidermek için ilave olarak gerilimi giderme tavlaması gerekebilir.
Normalleştirmenin bir başka uygulaması ise 900 °C’tan kritik sıcaklığın (A1) 30 °C üstüne kadar
fırında soğutup bu sıcaklıkta kısa bir süre bekletilip soğutmak şeklindedir. Bilinen
normalleştirmeye nazaran % uzama ve darbe direncinde belirgin artış sağlanabilmektedir.
Su Verme ve Temperleme: Normalleştirmeye nazaran çok üstün özellik sağlamadığı ve çatlama
tehlikesinin varlığından genellikle pek uygulanmaz. A1’in üzerinde 50 °C sıcaklıkta 1 saat kadar
tutulduktan sonra parçaya genellikle ~100 °C’taki yağ banyosunda su verilir ve yapı martensit
haline dönüşür. Ostenit-martensit dönüşümünde soğuma hızı önemlidir ve büyük ölçüde
alaşımlandırma ile etkilenir (Şekil 5.26-5.27-5.28-5.29).
Şekil 5.26: Alaşımsız küresel grafitli dökme demir için T.T.T. eğrisi3.
72
Şekil 5.27: Düşük ve yüksek Si % sinin T.T.T. eğrisine etkileri3.
Şekil 5.28: Düşük ve yüksek Mn % sinin T.T.T. eğrisine etkileri3.
73
Şekil 5.29: Ni-Mo alaşımlı küresel grafitli dökme demir için T.T.T. eğrisi3.
Martensitik dönüşümün başlama sıcaklığı (Ms) kesin belli olmamakla beraber, bitiş sıcaklığı
(Mf) daha az kesindir. Yapının tamamen martensit olabilmesi için dönüşmüş ostenitin
giderilmesi için çoğu kez su vermeden sonra “sıfır altı ısıl işlemi” (sub zero heat treatment)
uygulanır.
Su vermeyi takip eden işlem temperlemedir. Seçilen temper sıcaklığına bağlı olarak değişen
sertlik değerleri elde edilir (Şekil 5.30). Süre yaklaşık olarak parçanın her 2.5 cm kalınlığı için 2
saat olarak alınabilir.
Şekil 5.30: Sertliğin temperleme sıcaklığı ile değişimi3.
74
Genel anlamda küresel grafitli dökme demire uygulanan temperleme (ostemperleme,
martemperleme) işlemleri çelik için yapılanlara benzerdir. Ayrıca alevle, endüksiyonla veya
nitrürleme yoluyla yüzey sertleştirmeye de uygundurlar; ancak bu durumda sertleştirme
işleminden önce matriks yapısının perlitik olması tercih edilir, çünkü perlitik yapı ostenit haline
daha kolay dönüştürülebilir3.
5.6. Ostemperleme
Küresel grafitli dökme demirlere aşınma direnci, yorulma dayanımı, işlenebilirlik, tokluk
ve yüksek dayanım/ağırlık oranı gibi özelliklerin kazandırılması amacıyla ostemperleme ısıl
işlemi uygulanır. Küresel grafitli dökme demirlere uygulanan tipik ostemperleme fırın rejim
eğrisi Şekil 5.31 de verilmiştir4.
Şekil 5.31 Küresel grafitli dökme demirlerde tipik ostemperleme çevrimi5.
Ostemperleme ısıl işlemi küresel grafitli dökme demir malzemeyi 815-927oC ostenitleme
sıcaklıkları arasında, yapısında karbonca doymuş ostenit fazı oluşturacak kadar yeterli bir süre
bekleterek, martensit başlama sıcaklığı üzerinde olan 232-400oC ostemperleme sıcaklık aralığına
perlit oluşumuna müsaade etmeyecek ölçüde hızlı soğutmak ve bu sıcaklıkta osferritik/beynitik
(ferrit+karbonca zengin ostenit) bir matriks yapı oluşturacak kadar yeterli süre bekletip oda
sıcaklığında soğutma işleminden ibarettir.
Ostenitleme işlemi, yüksek sıcaklıktaki tuz banyosunda, atmosfer kontrollü fırında veya
bazı özel durumlarda bölgesel ısıtma için alevle veya indüksiyonla yapılabilir. Ostemperleme
işlemi ise çoğunlukla nitrit/nitrat tuz banyosunda yapılmakla birlikte bazı özel durumlarda sıcak
yağda veya ergimiş kurşun veya kalay banyosu içerisinde de yapılabilir.
Küresel grafitli dökme demirlere uygulanan ostemperleme işlemi sonucunda dökme
demir iç yapısında beynitik ferrit (αb) ve yüksek karbonlu ostenit (γYK) karışımı bir yapı
(osferritik/beynitik yapı) oluşur. Bu durum çelikte farklıdır. Çelik ostemperlendiğinde iç yapısı
beynit diye bilinen ferrit matriks içinde homojen dağılmış karbürden oluşur. Küresel grafitli
dökme demirlerin bileşimindeki yüksek miktardaki Si karbür oluşumunu engeller. Bu farklılıktan
dolayı ostemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerdeki yapı beynitik yapıdan daha çok
“osferritik” olarak adlandırılır. Küresel grafitli dökme demirlerin ostemperlenmesi esnasında
75
ostenit içinde ferrit oluştuğunda karbon bu bölgelerden atılır ve ferriti çevreleyen ostenitte
çözeltiye girer. Daha fazla ferrit oluştuğunda ostenitteki karbon miktarı artar. Bu ostenitin
karbon miktarı çok yüksek olduğunda (% 1.0’i aştığında) ostenit oda sıcaklığında kararlıdır ve
böylece oluşan mikro yapı ferrit ile yüksek karbonlu ve dengeli ostenitten oluşur. Bu
ostemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerde istenen bir yapıdır. Bununla birlikte,
ostemperleme işlemi çok uzun tutulduğunda, yüksek karbonlu ostenitin (γYK) ferrit ve karbüre
ayrıştığı ikinci basamak veya ikinci kademe reaksiyonu oluşur. Bu reaksiyon karbürlerin
kırılganlık etkisinden dolayı istenmez. Bu yüzden ostemperlenmiş küresel grafitli dökme
demirlerde en iyi mekanik özellikler birinci reaksiyonun tamamlanması ve ikinci reaksiyon
başlamadan önce elde edilir. Birinci reaksiyonun tamamlanması ve ikinci reaksiyonun başlaması
arasındaki zaman aralığı işlem penceresi (processing window) olarak bilinir. İşlem penceresi Ni,
Cu ve Mo gibi alaşım elemanlarının ilavesi ile genişler. Cr ilavesi işlem penceresinin
daralmasına sebep olur.
Mangan elementinin ostemperleme işlemi esnasında işlem penceresine etkisi Şekil 5.32
de verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi manganın işlem penceresine etkisi çok güçlüdür,
yüksek miktarlardaki Mn işlem penceresini etkili bir şekilde daraltır veya birinci ve ikinci
kademe reaksiyonlarının çakışması ile yok edebilir. Kapanmış bir işlem penceresi ostemperleme
sonucu optimum mekanik özelliklerin elde edilmesine engel olur. Az karbonlu ostenit
bölgelerinde martensit oluşur (MS ve MF yüksek olduğundan) ve ikinci basamak reaksiyonunun
başladığı bölgelerde kimyasal segregasyon nedeniyle karbürler meydana gelir.
Şekil 5.32 Mn’ın işlem penceresine etkisi6.
Şekil 5.33 de ostemperleme işlemi esnasında matriks yapıda meydana gelen faz
dönüşümleri ve işlem penceresi şematik olarak gösterilmiştir. Eğer ostemperleme zamanı çok
kısa seçilirse, karbon bakımından zengin ostenitin karbon miktarı ostenitin kararlı olması için
gerekenden daha düşük olur. Bu durumda ostenit oda sıcaklığında soğutma esnasında martensite
dönüşür. Bununla beraber, aşırı ostemperleme zamanı karbürlü yapının oluştuğu ikinci basamak
reaksiyonunun (γYK Æ α + karbür) başlamasına neden olur. Karbonca zengin ostenitin hacim
olarak yüksek değerlerde olduğu işlem penceresi içinde yapılan ostemperleme işlemlerinde
istenen mekanik özellikler elde edilir.
76
Şekil 5.33 Ostemperleme işlemi esnasında matrikste oluşan faz dönüşümleri6.
Dökümün katılaşması esnasında alaşım elemanlarının çoğu sıvı ve katı faz arasında
segrega olurlar. Bu durum işlem penceresini ve dolayısıyla mekanik özellikleri önemli oranda
etkiler. Alaşım elemanlarının dağılımı, katılaşma esnasında grafit küreleri etrafında oluşan
ötektik hücreye bağlıdır ve dönüşüm kinetiğini etkiler. Küresel grafitli dökme demirlerde alaşım
elemanlarının dağılımını açıklamak için ötektik hücrede üç ana bölge belirlenmiştir. Bu bölgeler
Şekil 5.34 te verilmiştir.
Şekil 5.34 İki komşu küre arasındaki çözelti segregasyon bölgeleri6.
1. Bölge : Grafit küresine en yakın bölgedir. Bu bölgede Ni, Cu ve Si miktarları yüksek
fakat Mn miktarı düşüktür.
2. Bölge : Çözelti konsantrasyonundaki değişimin aşamalı olduğu matriksin büyük bir
kısmını oluşturur.
3. Bölge : Bu bölge katılaşma hücre sınırında bulunur. Bu bölgedeki Si ve Cu miktarları
düşük, fakat Mn, Mo, Cr ve P miktarları yüksektir.
77
Ostemperleme sonrasında ostemperlenmiş yapıyı etkileyen parametreler; sıvı küresel
grafitli dökme demirlerin katılaşma hızı ( döküm yapısını oluşturan ), ostenitleme sıcaklık ve
süresi, ostemperleme sıcaklık ve süresidir.
Ostenitleme sıcaklığı ostenitin karbon miktarını belirler. Yüksek ostenitleme sıcaklıkları
ostenitin karbon miktarını ve sertleşebilirliği artırır, fakat ostemperleme sonucunda mekanik
özellikleri düşürür. Yüksek karbonlu ostenitin osferrite dönüşümü daha uzun zaman alır. Düşük
ostenitleme sıcaklıkları ostemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlere en iyi özellikleri
kazandırır, fakat bu durumda silisyum miktarının çok iyi kontrol edilmesi gerekir, çünkü
silisyum küresel grafitli dökme demirlerin üst kritik sıcaklığını arttıran bir etkisi vardır.
Ostemperleme sıcaklığı da ostemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin mekanik
özelliklerini etkiler. Düşük dayanım ve sertlik fakat yüksek süneklik ve kırılma tokluğuna sahip
ostemperlenmiş küresel grafitli dökme demir üretmek için kaba osferritik yapı oluşturan yüksek
ostemperleme sıcaklıklarının seçilmesi uygundur. Yüksek dayanımlı ve aşınma dirençli fakat
düşük kırılma tokluğuna sahip ostemperlenmiş küresel grafitli dökme için ise 350 oC’nin
altındaki ostemperleme sıcaklıkları seçilmelidir.
Ostemperleme sıcaklı aralığında dönüşüm, ara yüzey ve tane sınırlarında beynitik ferritin
çekirdeklenmesi ile başlar. Büyüyen ferrit iğnelerinden atılan karbon osteniti zenginleştirir ve bu
esnada küresel grafitli dökme demirin yüksek Si içeriği ostenit fazında sementit oluşumunu
önler.
Alaşım elementlerince etkilenen ostemperleme sıcaklığı, yaklaşık 330oC’nin altında
olduğunda ferrit tabakçıklarının (plates) çekirdekleşme hızı yüksek ve karbonun difüzyon hızı
nispeten düşüktür. Bu nedenle karbon beynitik ferritten çok az atılır ve geri kalanı ferrit
tabakçıklarında sementit olarak çökelir (Şekil 5.35). Oluşan beynitik yapı alt beynit olarak
bilinir. Yüksek ostemperleme sıcaklıklarında (330-400oC) farklı bir dönüşüm mekanizması
vardır ve üst beynit oluşumu ile sonuçlanır. Yüksek sıcaklıklarda karbon difüzyonu çok hızlıdır.
Böylece, karbonun tamamına yakın bir kısmı büyüyen ferrit çıtalarının (lath) dışına doğru
yayınır ve osteniti zenginleştirir. (Şekil 5.35)
Şekil 5.35 Üst ve alt beynitin oluşum mekanizması6.
78
Şekil 5.36 de ostemperleme zamanının ostenitin kararlılığına ve oluşan matriksin
sertliğine etkisi verilmiştir. Düşük ostemperleme zamanlarında, osteniti karalı duruma getirecek
yeterli karbon difüzyonu yoktur ve oda sıcaklığına soğutma esnasında martensit dönüşümü
başlama sıcaklığı (MS) yüksek olduğundan martensit oluşabilir. Bu şekilde oluşan yapı yüksek
sertlik, düşük süneklik ve düşük kırılma tokluğuna sahiptir. Aşırı uzun ostemperleme zamanları
da osferritin ferrit ve karbüre ayrışmasına neden olur, bu dayanım, süneklik ve kırılma tokluğunu
düşürür. Yüksek ostemperleme sıcaklığında (400oC) osferrit yapı oluşturmak için 30 dakika
kadar az ostemperleme zamanı yeterlidir. Genel olarak 230oC ostemperleme sıcaklığında
optimum özellikler için 4 saat kadar uzun ostemperleme zamanı uygundur4.
Şekil 5.36 Ostemperleme zamanının sertlik, ostenitin karalılığına ve miktarına etkisi5.
5.7. Küresel Grafitli Dökme Demirlerin Sınıflandırılması ve Mühendislik Özellikleri
Küresel grafitli dökme demirler Türk Standartları Enstitüsü (TSE)’e göre sınıflandırılması Tablo
5.11’de verilmektedir. (DDK) işareti (Dökme demir küresel grafitli) anlamına gelmektedir. DDK
işaretini izleyen sayılar ise minimum çekme mukavemetini gösterir. Alman (DIN) standardında
küresel grafitli dökme demirlerin sınıflandırılışı aynen TSE’deki gibidir, ancak işareti GGG
olarak verilmektedir. Amerikan ASTM (A 536-70)’e göre minimum çekme mukavemeti %0.2
akma mukavemeti (p.s.i olarak) ve uzama % sini gösteren rakamlar sınıflandırma işareti olarak
kullanılmaktadır. Örneğin 60-40-18 işaretli malzeme, (60.000 p.s.i min. Çekme mukavemeti,
40.000 p.s.i %0.2 akma mukavemeti ve %18 uzaması olan) küresel grafitli dökme demirlerdir.
Fransız standartlarında (NFA 32-201) küresel grafitli dökme demir için kullanılan işaret (FGS)
olup izleyen rakamlar Kg/mm2 olarak minimum çekme mukavemetini ve % uzama değerini
göstermektedir, örneğin (FGS 70-2). İngiliz (BS 2789) standardında yine çekme mukavemeti
(ton/inç2) ve minimum % uzamayı belirtecek şekilde, örneğin (SNG 24/17) işareti
kullanılmaktadır. Rus (GOST 7293-70) standardında (VCH 38-17) işaretiyle 38 kg/mm2
minimum çekme mukavemeti ve %17 uzamaya sahip küresel grafitli dökme demir
belirtilmektedir.
Mühendislik malzemeleri içinde küresel grafitli dökme demirlerin özel yeri, başka hiçbir demir
esaslı malzemenin, DDK’ın sahip olduğu mekanik özellikleri ve dökülebilirlik özelliğini bir
arada sağlayamamasından ileri gelmektedir.
79
Tablo 5.11: Küresel grafitli dökme demirlerin mekanik özellikleri ve yapıları3.
Küresel grafitli dökme demirlerin işlenebilirliği eşdeğer sertlikteki lamel grafitli dökme
demirden ve eşdeğer mukavemete sahip çelikten daha iyidir. Keza korozif ortamlarda korozyona
karşı direnci lamel grafitli dökme demirinkine eşit ve genellikle karbon çeliğinkinden daha
iyidir.
Küre şekilli grafitler yapıda yağlayıcı deposu görevi görürler. Kullanma süresinde gösterdiği
performans küresel grafitli dökme demirden yapılmış silindir laynerler, krankşaftlar, merdaneler,
kalıplar ve dişlilerin aşınmaya karşı dirençlerinin en iyi kalitedeki lamel grafitli dökme
demirinkine eşit ve çeliğinkinden yüksek olduğunu göstermiştir.
Ani sıcaklık değişikliklerine karşı küresel grafitli dökme demirlerin gösterdiği direnç lamel
grafitli dökme demirden ve çoğu çelikten daha fazladır. Örneğin 760 °C’tan soğuk suya
daldırılan bir ince çelik parça muhtemelen çarpılacak, lamel grafitli dökme demir dökme demir
çatlayacaktır oysa aynı şartlarda küresel grafitli dökme demirden yapılmış bu sıcaklık değişimini
bozulmadan karşılayabilmektedir.
Küresel grafitli dökme demirlerin darbe direnci çeliklerde olduğu gibi sıcaklığa bağlı olup, yapı
ve bileşim tarafından önemli oranda etkilenmektedir. Matriks yapısı tamamen ferritik olan
küresel grafitli dökme demirler en yüksek tokluğa sahip olanlardır. Tokluk derecesi matrikste
artan perlit % ile azalmaktadır. Ancak tamamen ferritik veya çoğunlukla ferrit + az perlitten
matrikse sahip olanlar düşük sıcaklıklara inildikçe çok dar bir sıcaklık aralığında (~100 °C)
darbe dirençlerinin %80-90 nını kaybetmektedirler. Matriks yapısı beynitik olan veya
temperlenmiş martenzit veya tamamen perlitik olanların darbe dirençleri yüksek sıcaklıklarda
ferritiklere nazaran çok daha düşük olmasına karşı deney sıcaklığının düşürülmesiyle dirençteki
azalma % si daha azdır (Şekil 5.37).
80
Şekil 5.37: Küresel dökme demirlerde matriks mikroyapısının darbe direncine etkisi (Çentiksiz
deney numuneleri ile yapılan deney sonuçları)3.
Bileşimdeki silisyum ve fosfor oranındaki artış darbe direncinde azalma meydana getirir ve
tranzisyon sıcaklığının daha yüksek sıcaklıklara doğru kaymasına neden olur. Manganez, nikel
veya bakır içeriklerindeki normal değişimlerin darbe direnci veya bir başka deyimle tokluk
üzerinde önemli bir etkisi olmamaktadır.
Değişik tip küresel grafitli dökme demirlerin çekme özellikleri Tablo 5.10’da gösterilmiştir. Bir
çekme deneyi özelliği olan kesit daralması küresel grafitli dökme demirler için genellikle
kullanılan bir özellik değildir; ancak bir fikir vermek için kesit daralma %sinin yaklaşık olarak
uzama %sine eşit veya biraz fazla olduğu söylenebilir. Orantı sınırı ise küresel grafitli dökme
demirlerde çeliklere nazaran çok küçük değerler almaktadır, bunun nedeni mikroyapıdaki
grafitler ve bunların getirdiği milyonlarca atomik boyutlu hatalardır; gerilim altında hatalar
düşük mertebede plastik deformasyona neden olmaktadır. Genel amaçlar için, çekme özellikleri
ile sertlik arasındaki (Şekil 5.38) de belirtilmektedir. Burada belli bir sertlik değeri için gerek
çekme ve akma mukavemetinin, gerekse uzama oranının bir aralık halinde verilişi, değişik ticari
tip küresel grafitli dökme demirlerdeki kimyasal bileşim farklılıklarının sonucudur.
81
Şekil 5.38: Sertlik (BSD) ile çekme özellikleri arasındaki ilişki (Mikroyapısı perlit ve/veya ferrit
olan, dökülmüş halde, tavlanmış veya normalize edilmiş küresel grafitli dökme demirler için)11.
Küresel grafitli dökme demirde kesit kalınlığının özellikler üzerindeki etkisi lamel grafitli
demirde olduğu gibi ciddi değildir. Ancak kesit boyutlarının, katılaşmada soğuma hızını
etkilemesi sonucu, bileşime de bağlı olarak, ferrit ve perlitin sertliği ve yapıdaki perlitin oranı ve
tane küçüklüğü değişmektedir. Yüksek mukavemet ve sertlik, dolayısıyla düşük süneklik, ince
perlitik veya asiküler yapılı matriks ile elde edilir. Buna karşılık, mukavemet ve sertlikteki
azalmayla beraber, yüksek süneklik, matriksin tamamen ferritik olmasıyla mümkündür. Ayrıca
çok kalın kesitlerde grafit şeklinin bozulma ihtimali daha fazla olmaktadır3.
5.8. Yüksek Alaşımlı Küresel Grafitli Dökme Demirler
Korozyona, ısıya dirençli ve yüksek mukavemetli çeşitli özel gri dökme demirler grafitleri küre
şekilli olarak ta dökülebilirler. Grafit küre şeklinde olduğunda, dökme demirin elastik
modülünün, çekme mukavemetinin, sünekliğinin ve darbe direncinin daha yüksek olacağı önceki
bölümlerde belirtilmişti. Küresel grafitli dökme demir bileşimine daha fazla silisyum, krom,
nikel, molibden ve bakır ilavesiyle elde edilen yüksek alaşımlar, her nekadar üretimleri nispeten
zor ise de özel özellikleri açısından aranan bir malzeme grubunu oluştururlar. Bunların arasında
başta ostenitik küresel grafitli dökme demir gelmektedir; oda sıcaklığında ostenitin stabilitesini
arttıran alaşım elementi nikeldir. Ostenitik küresel dökme demirde (Ni-Resist), Nikel %18-36
arasında değişmektedir; (Tablo 5.12). Ostenitik küresel grafitli dökme demirdeki krom ise
kullanma yerine göre %1.75-5.5 oranlarında bulunabilir.
Yüksek alaşımlı küresel grafitli dökme demirlerde silisyum oranı arttıkça oksidasyona karşı
direnç de artar; ancak tersine mekanik özellikler ve ısı şokuna karşı dirençte azalma görülür.
Dolayısıyla optimum özellikler demeti elde etmek için genellikle silisyum oranı %3-4 arasında
sınırlanır3.
82
Tablo 5.12: Yüksek alaşımlı küresel grafitli dökme demirler11.
83