DÖKÜMHANE

Türk Döküm Sektörünün Eğitim Platformu

El Kitabı 3. sayı geliyor: Katı çözeltiyle güçlendirilmiş ferritik sfero dökme demirler (SSF)

Küresel grafitli dökme demirin ortaya çıkmasının nasıl hem kuramsal mekanik alanındaki gelişmelere bağı olduğunu, hem de bazı tesadüflerle ilişkili olduğunu El Kitabı’nın bir önceki sayısında açıklamıştık. 1940’lı yılların sonunda Millis ve arkadaşlarının yaptığı çalışmalar, gri dökme demirdeki grafit parçalarının temper dökümdeki gibi küreler halinde ayrışmasının mümkün olduğunu ortaya koyunca, birçok dökümhane üstün özelliklere sahip bu malzemenin üretim denemelerine başlamıştı.

20. Yüzyılın ilk yarısının sonunda ortaya çıkan küresel grafitli dökme demirler, bugün çeşitli kaynaklarda birinci nesil olarak adlandırılıyorlar. Yaklaşık %2 – %3 arasında silisyum içeren sfero dökme demirlerin matris yapılarına baktığımız zaman, ferrit ya da perlitten oluştuklarını, ya da bu ikisinin karışımından meydana geldiklerini görüyoruz. Malzemenin yapısında bulunan perlit, malzemeyi güçlendiren, fakat sünekliğini düşüren bir etki yaratıyor. Dolayısıyla perlit ve ferrit oranları üzerinde oynayarak, üretilen parçanın istenen sertlik, dayanım ve uzama değerlerini sergilemesi sağlanabiliyor.

ferritik-sferoBirincil nesil dökme demirlerden farklı olarak, 20. Yüzyılın sonlarında ikinci nesil adı verilen, yeni bir sfero dökme demir sınıfının ortaya çıkışına tanıklık ettik: Katı çözelti ile güçlendirilmiş ferritik sfero dökme demir (solid solution strengthened ferritic ductile iron, SSF) olarak adlandırılan bu malzeme EN 1563:2011 standardında da tanımlanıyor.

Yukarıda da belirttiğimiz gibi, birinci nesil sfero dökme demirlerin mekanik özellikleri yapıda bulunan ferrit ve perlit oranıyla ayarlanıyor. Örneğin EN-GJS-500-7 gibi bir malzemeye baktığımız zaman, matris yapısında hem ferrit, hem de perlit bulunması nedeniyle, “orta seviye” diyebileceğimiz düzeyde dayanım ve süneklik sergilediğini görüyoruz. Bu malzemede bulunan perlit miktarını düşürdüğümüzde ise, (örneğin EN-GJS-400-15 gibi) daha düşük bir dayanım, fakat daha yüksek uzama değerleri sergileyen bir sfero dökme demir elde edebiliyoruz.

Mekanik özellikleri optimize etmek için ferrit/perlit oranına başvurduğumuz bu birincil nesil sfero dökme demilerde sık gördüğümüz bir problem var: Yapıda bulunan perlit miktarı sadece kimyasal kompozisyona değil, aynı zamanda soğuma hızına da bağlı olduğu için, farklı kalınlıktaki kesitlerde değişen miktarlarda ve incelikte perlit oluştuğunu görebiliyoruz: Bir parçanın yavaş soğuyan kalın kesitlerinde ferrit oranı artarken, hızlı soğuyan ince kesitlerinde daha yüksek oranda ve daha ince perlit oluştuğunu görüyoruz. Bunun sonucu olarak kesit kalınlığına bağlı olarak mekanik özellikler de değişiklik göstermeye başlıyor. Bu, elbette bizim karşılaşmak istemediğimiz bir durum.

İyi haber: Sfero dökme demirleri güçlendirmenin tek yolu yapıdaki perlit miktarını arttırmaktan geçmiyor. Katı çözelti sertleşmesi (solid solution strengthening) adı verilen işleyiş sayesinde, ferritik matrisi güçlendirerek dökme demirin sünekliğini fazla kaybetmeden dayanımını arttırmayı başarabiliyoruz. 90’lı yılların sonlarında yapılan araştırmalar neticesinde geliştirilen bu yeni nesil dökme demirlerde, bakır (Cu), kalay (Sn) ya da mangan (Mn) gibi elementler yerine dökme demire %3,2 ila %4,3 arasında silisyum (Si) ekleyerek, katı çözelti sertleşmesiyle güçlendirilmiş, ferritik bir matris yapısı oluşturmayı hedefliyoruz.

Birinci nesil olarak tanımlanan sfero dökme demirlere eklenmesi gereken bakır ve mangan miktarı, parçanın kesit kalınlığı ve modülüne göre değişiklik gösterebiliyor. Fakat farklı kalınlıklarda kesitleri olan parçalarda, kesit kalınlığı farklarından kaynaklı sertlik değişimini bu şekilde gideremiyoruz: Eğer parçada farklı kalınlıklara sahip kesitler varsa, bu kesitlerdeki soğuma hızları farklı olacağı için, bu kesitlerdeki ferrit/perlit oranı, dolayısıyla da mekanik değerler farklılık gösterebiliyor. Fakat ikinci nesil sfero dökme demirlerde, kesit kalınlığı ne olursa olsun sabit miktarda silisyum takviyesi yapılıyor. Parça genelinde elde edilen ferritik matris yapısının sonucu olarak, kesit kalınlığından bağımsız şekilde homojen mekanik özelliklerin elde edilebilmesi sağlanabiliyor.

Tablo: Katı çözeltiyle güçlendirilmiş ferritik sfero dökme demirlerin mekanik özellikleri (Kaynak: EN 1563:2011).

Malzeme Kesit Kalınlığı

(mm)

Akma Dayanımı

(MPa)

Çekme Dayanımı (MPa) Uzama(%)
EN-GJS-450-18 t ≤ 30 350 450 18
30 < t ≤ 60 340 430 14
60 < t ≤ 200 Üretici ve müşteri arasında anlaşmayla belirlenir.
EN-GJS-500-14 t ≤ 30 400 500 14
30 < t ≤ 60 390 480 12
60 < t ≤ 200 Üretici ve müşteri arasında anlaşmayla belirlenir.
EN-GJS-600-10 t ≤ 30 470 600 10
30 < t ≤ 60 450 580 8
60 < t ≤ 200 Üretici ve müşteri arasında anlaşmayla belirlenir.

Bu durum, geleneksel yöntemlerle dökme demir üretimine alışmış dökümcülere biraz farklı geliyordur. O yüzden tekrar özetlemekte fayda olabilir: İkinci nesil olarak tanımlanan bu ferritik dökme demirlerde en fazla %5 oranında perlite izin veriliyor. Malzemenin sahip olduğu yüksek dayanımın kökeninde, ferrit fazının sertleştirilmiş olması yatıyor. Ferrit fazı sertleştiğinde gerçekleşen süneklik kaybı düşük olduğu için, dayanımla birlikte yüksek uzama değerleri de elde edebiliyoruz. Yüksek silisyum ilavesi sayesinde akma dayanımında da, birinci nesil dökme demirlere kıyasla bir miktar artış gerçekleşiyor. Dayanım değerlerindeki bu artış nedeniyle, ikinci nesil sfero dökme demirlerden üretilen parçaların ağırlığını bir miktar düşürmenin mümkün olabileceğini anlıyoruz. Dökme demire eklenen silisyum, ötektoid dönüşüm sıcaklığını yukarı çektiği için, yüksek miktarda silisyum içeren ikinci nesil sfero dökme demirlerin yüksek sıcaklık performansları da artış gösteriyor. İkinci nesil sfero dökme demirler için EN 1563:2011 standardında tanımlanan minimum dayanım ve uzama değerlerini yukarıdaki tablo üzerinde görebilirsiniz.

El Kitabı’nın 3. sayısı geliyor

el-kitabi-3-sayiKatı çözeltiyle güçlendirilmiş ferritik dökme demirler üzerine odaklanan El Kitabı’nın 3. sayısı çok yakında geliyor. Bu önemli malzemeye dair her şeyi, bu makale üzerinde ele almamız pek mümkün değil. O yüzden ikinci nesil sfero dökme demirleri başlı başına ayrı bir El Kitabı sayısında ele almanın daha doğru olacağını düşündük. Bu özel sayıda, katı çözeltiyle güçlendirilmiş sfero dökme demirlerin özellikleri, üretimi ve döküm hataları üzerine birçok bilgi bulabilirsiniz.

Yüzlerce dökümhane tarafından takip edilen bu özel sayıları kaçırmamak için ücretsiz e-posta üyeliğinizi yaptırmayı unutmayın. Üyelik formu için tıklayın.

Kaynaklar

  1. European Standard EN 1563:2011. Founding – Spheroidal Graphite Cast Irons (2011).

İçerik hazırlığında kullanılan kaynakların listesi için tıklayın.

Kategoriler:Dökme demir

Etiketler:, ,