DÖKÜMHANE

Türk Döküm Sektörünün Eğitim Platformu

Gri dökme demirde niobiumun ne işi var?

Bu yazıda son yıllarda adı gri dökme demirle birlikte sık anılmaya başlayan bir element üzerinde duracağız: Niobium (Nb). Çelikhaneler tarafından nispeten daha uzun süredir tanınan ve çeliğin mekanik özelliklerini iyileştirmek için kullanılan bu element, dökme demir dökümhanelerinde nispeten daha geç kullanılmaya başlandı. Lafı fazla uzatmadan, niobiumun gri dökme demir özelliklerini nasıl etkilediğine bakalım.

Gri dökme demirde grafitin yapısı

grafit Niobiumun etkisine geçmeden önce, gri dökme demirde gördüğümüz lamel grafit yaprakları hakkında kısa bir hatırlatma yapmamız faydalı olabilir. Gri dökme demirdeki grafit parçacıklarının lamel olarak da adlandırdığımız, yapraksı bir yapıda ortaya çıktıklarını görüyoruz. Örneğin yandaki resime iyon dağlaması ile ortaya çıkartılmış bu yaprakların üç boyutlu yapısını görüyorsunuz [1].

Bu yapraklar ince yapıları ve geniş yüzeyleri sayesinde ısıyı gayet güzel bir şekilde aktarabiliyorlar. Fakat hayat maalesef her açıdan güzel olamıyor: Bu ince yapraksı yapıları nedeniyle, mekanik özellikleri olumsuz etkiliyorlar. Malzeme yük altında kaldığı zaman, gerinim grafit yapraklarının uçlarında yoğunlaşıyor ve malzemede çatlak oluşumu kolaylaşıyor.

Çatlak oluşumuna dair şu noktayı anlamamız gerekiyor: Bu grafit yaprakları büyük ve uzun olduklarında, daha düşük yük altında çatlak oluşabilmesini sağlıyorlar. O nedenle grafit uçlarında oluşan ve çekme dayanımı, uzama gibi değerleri aşağı çeken bu ufak çatlakların oluşumunu geciktirmek için, bu yaprakların boyutlarını küçültmemiz gerekiyor.

Niobiumun grafit boyutlarına etkisi

İşte tam da bu noktada niobium adını verdiğimiz bu element devreye giriyor. Gri dökme demir içine eklenen niobium hem grafit yapraklarını, hem de ötektik taneleri inceltici bir etki ortaya çıkartıyor. Bu etkiye ek olarak, niobium eklenen dökme demirlerde perlit fazının da inceldiği görüyoruz. Tüm bu etkiler bir araya geldiğinde, sizin de tahmin edebileceğiniz üzere, mekanik özelliklerde bir toparlanma meydana geliyor. Niobiumun grafit yaprakları üzerinde yarattığı inceltici etkiyi aşağıdaki, aynı büyütme oranında çekilmiş mikroyapı resimlerinde görebilirsiniz. Niobium seviyesi %0,042’den %0,85’e çıkartıldığında, grafit yapraklarının ciddi bir şekilde inceldiği göze çarpıyor.

dokme demir nb

Niobiumun grafit yaprakları üzerindeki inceltici etkisi [2]. Sağdaki resimde bir karbür (NbC) parçacığı okla gösteriliyor.

Ne kadar niobium iyidir?

Biraz da niobiumun ne seviyede eklenmesi gerektiğinden bahsedelim. Yukarıdaki mikroyapı resimlerinden de anlaşılabileceği üzere, yaklaşık olarak %1 seviyesinin altında eklenen niobium hem grafit yapraklarının, hem ötektik tanelerin, hem de perlit yapısının ciddi bir oranda incelmesini sağlayabiliyor.

nbc2Niobium eklerken dikkat etmemiz gereken bir nokta var: Bu element karbonla birleşerek sert ve kırılgan karbür (NbC) yapısını da ortaya çıkartıyor. Fe-C-Nb üçlü denge faz diyagramına baktığımız zaman, %0,1 kadar düşük bir Nb seviyesinden sonra bu fazın ortaya çıkacağını görüyoruz. Yani bu fazdan kaçınmamız pek kolay değil. Fakat Nb miktarını mümkün mertebe düşük tutarak bir yandan grafiti inceltirken, bir yandan da bu zararlı fazın seviyesini düşük tutabiliyoruz.

Tabii dökme demirle aşina olan dökümcülerin yakından bildiği üzere, karbür demek sertlik demek, aynı zamanda aşınma direnci demek. Niobiumum oluşturduğu bu karbür parçacıkları (NbC) malzemenin sertliğini ve aşınma direncini de olumlu yönde etkiliyor. O nedenle niobiumun özellikle fren diski döken gri dökme demir dökümhanelerinde tercih edilen bir element olduğunu görüyoruz.

Sonuç olarak sadece NbC parçacıklarından gelen sertlikten ve aşınma direncinden faydalanmak isteniyorsa, teknik literatürde sunulan bilgilere göre %0,1 – %0,2 civarında Nb eklenmesi yeterli oluyor. Fakat grafit yapraklarında bir incelme de isteniyorsa, en azından literatürde sunulan bilgilere bakılırsa, Nb oranını %0,8 civarına kadar çıkarmak gerekebiliyor.

Niobiumu nasıl ekleyebiliriz?

Niobium, üçte iki oranında niobiumdan oluşan ferroalyaj formunda (FeNb) temin edilebiliyor. Yüksek bir ergime noktasına sahip olan bu alaşım, dökme demir alaşımlamasında çoğu durumda gördüğümüz gibi, sıvı dökme demirin içinde eriyemiyor – fakat çözünüyor. Hatta çelikhanelerde eklenen niobiumlu ferroalyajın bile erimesi mümkün olmadığı için, alaşımın çaya atılan şeker gibi çözünmesini beklemek gerekiyor. Dökme demire eklenen yaklaşık 1 cm çapındaki bir parçacığın 1400℃’de tamamen çözünmesi 10 dakikanın üzerinde bir zaman alabiliyor. O nedenle bu alaşımlamanın potada değil, ocakta yapılması gerekiyor.

Teknik literatürde sunulan verilere bakılırsa, niobiumun grafit üzerindeki inceltici etkisinden yararlanabilmek için seviyesini %1’in altında tutmak gerekiyor. Çünkü daha fazla seviyede eklendiğinde, niobium inceltici etkisini büyük oranda kaybediyor ve ortaya tekrar büyük yapraklar çıkmaya başlıyor. Fakat NbC parçacıkları yine de oluşacağı için, ister istemez malzemeyi daha kırılgan bir hale getirmiş oluyoruz. Konu hakkında daha ayrıntılı bilgiye ihtiyaç duyan okurlarımız aşağıda sunulan kaynaklardan bilgi alabilirler.

Kaynaklar

  1. A. Velichko. Doktora Tezi: Quantitative 3D characterization of graphite morphologies in cast iron using FIB microstructure tomography (2008) Saarland Üniversitesi, Almanya.
  2. Z. Wenbin, Z. Hongbo, Z. Dengke, Z. Hongxing, H. Qin, Z. Qijie. Niobium alloying effect in high carbon equivalent cast iron. China Foundry Vol 8 No 1 (2011) 36-40.
  3. I. Hanna. Yüksek Lisans Tezi: Mechanical properties of niobium alloyed cast iron (2011) KTH, İsveç.

İçerik hazırlığında kullanılan diğer kaynakların listesini görmek için tıklayın.

Kategoriler:Dökme demir

Etiketler:, ,