Küresel grafitli dökme demirde karbon yüzmesi sorunu

Bir bardağa gazlı bir içecek koyduğunuzu düşünelim: Örneğin kola. Bardağa baktığınızda, kolanın içindeki gaz kabarcıklarının yüzeye doğru çıktığını ve yüzeyde ince bir köpük tabakası oluştuğunu görüyorsunuz, değil mi? Kolanın içinde oluşan gaz kabarcıkları, hafif olmaları nedeniyle yüzeye çıkıp, yüzeyde birikiyorlar.

Dökme demirde karbon yüzmesi (graphite flotation) adını verdiğimiz durumda da aynı işleyiş gerçekleşiyor: Grafit küreleri sıvı dökme demire kıyasla çok daha hafif. Dolayısıyla, tıpkı kolanın içindeki gaz kabarcıkları gibi yüzerek sıvının yüzeyine ulaşma eğilimi taşıyorlar. Bunun doğal sonucu olarak, kolanın üzerini kaplayan köpük tabakası gibi, dökme demir parçanın üst yüzeyinde de bir grafit küresi birikimi görüyoruz. Bu problemin sıvı alaşım henüz potadayken gerçekleşmediğine dikkat ediniz: Grafit parçacıkları sıvı alaşım kalıba döküldükten sonra oluştuğu için, kalıp içindeki katılaşma sırasında gerçekleşen ve kendini parça yüzeyinde koyu renkli bir tabaka halinde gösteren bir problemden bahsediyoruz.

Bu noktada akla gelen ilk soru herhalde şu: Eğer grafit küreleri hafif oldukları için yüzeye gitmek istiyorlarsa, neden döktüğümüz her parçada bu sorunu görmüyoruz? Ya da, sorunsuz bir parçada grafit kürelerini parçanın içinde tutan ne?

Grafit kürelerini parçanın içinde tutan, katılaşma sürecinin kendisi. Ötektik altı bir alaşımda, katılaşmanın ilk olarak östenit dendritleriyle başladığını biliyoruz. Ağacımsı bir yapı sergileyen bu dendritler, grafit ayrışması öncesinde bir ağ misali parça içini sardıkları için, grafit küreleri çekirdeklendiklerinde bu dendrit ağına takılıyorlar. Dolayısıyla, parçanın yüzeyine çıkmaları engellenmiş oluyor.

Bu basit düşünce, karbon yüzmesini engellemenin püf noktasını da açığa kavuşturmuş oluyor: Karbon eşdeğerini düşürmek. Karbon eşdeğeri yüksek, ötektik üstü kompozisyona sahip parçalarda oluşan grafit kürelerini yakalayacak ve parça içinde tutacak bir dendrit ağı bulunmadığı için, küreler ister istemez parça yüzeyine doğru ilerleme fırsatı bulabiliyorlar. Elbette bu sürecin gerçekleşebilmesi için, bu kürelerin parça yüzeyine ulaşacak zamanı bulmaları gerektiğini, yani katılaşma süresinin nispeten uzun olması gerektiğini söylememiz lazım. Bu nedenle karbon yüzmesini kalın kesite sahip, yavaş soğuyan parçalarda görüyoruz.

Yukarıdaki resme dikkat ederseniz, yüzeye doğru yüzmüş ve yüzeyde köpük misali birikmiş grafit kürelerinin, altta kalan kürelere kıyasla daha büyük olduğunu görebilirsiniz. Yukarıdaki kürelerin daha büyük olması, bu kürelerin daha erken çekirdelendiklerini ve büyümek için daha uzun zamanları olduğunu gösteriyor. Katılaşmanın nispeten daha geç evrelerinde oluşan ve resmin alt kısmında görülen grafit küreleri ise, dikkat ederseniz daha küçük kalmışlar. Bu resim bize karbon yüzmesini engellemenin bir diğer yolu hakkında ipucu veriyor: Büyük küreler her ne kadar erkenden çekirdeklenip yüzeye çıkmış olsalar da, katılaşmanın ilerleyen evrelerinde oluşan küçük küreler sıvının ağdalaşması, yani viskozitesinin artması nedeniyle de sıvı içinde kalabiliyorlar. Dolayısıyla, grafitin hızlı bir şekilde çekirdeklenmesine fırsat vermeyecek ve grafit parçalarını katılaşmanın nispeten geç evrelerine doğru çekirdeklenmeye itecek bir aşılama pratiği de, bu sorunun giderilmesi için bir çözüm yolu olabilir. Fakat yine de, bu problemi gidermenin en kesin yolunun karbon eşdeğerini düşürmek olduğunu tekrar söylememizde fayda var.

Burada bahsettiğimiz mekanizmaya dair bir noktayı açıklığa kavuşturalım: Zaman zaman ocağa geç karbon verildiğinde de dökümhanelerin buna benzer bir sorunla karşılaştıklarını görebiliyoruz. Bu durum da karbon yüzmesine benzer bir sonuç ortaya çıkarsa da, aslında işleyişleri farklı: Ocağa geç karbon verildiğinde karbon tam çözünmeden döküm yapılırsa, o zaman çözünmeyen bu karbon parçacıkları da kalıp içine girip, parça yüzeyinde birikebiliyorlar. Fakat bizim bu yazıda karbon yüzmesi olarak tarif ettiğimiz problem, karbon tam olarak çözünmüş olsa da karşımıza çıkıyor. Çünkü grafit küreleri sıvı içinden çekirdeklenerek yüzeye çıkıyorlar. O nedenle karbon eşdeğerini düşürmenize rağmen buna benzer bir sorun gördüğünüzü düşünüyorsanız, problemin kökeninde ocağa geç karbon verilmesi yatabileceğini parantez içinde belirtelim.

Kaynaklar ve ek bilgiler

İçerik hazırlığında kullanılan tüm kaynakların listesi için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz.

Yazan: Dr. Arda Çetin. (Dökümhane Akademi ekibi hakkında ayrıntılı bilgi için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz.)