DÖKÜMHANE

Türk Döküm Sektörünün Eğitim Platformu

Vermiküler grafitli dökme demirin ısıl iletkenliği hakkında

Dökümhane sitesinde geçtiğimiz aylarda vermiküler grafitli dökme demir üzerine çeşitli içerikler yayımladık. Dikkatli okuyucularımız hatırlayacaklardır: El Kitabı serisinin ilk sayısında da vermiküler grafitli dökme demire yer vermiş ve bu malzemenin üretim sürecini, özelliklerini ayrıntılı bir şekilde ele almıştık.

Vermiküler grafitli dökme demir dediğimiz zaman, bu malzemeyle aşina olan çoğu kişinin aklına sfero dökme demir ve gri dökme demir arasında bir malzeme geliyor: Gerek mikroyapısal özellikler, gerekse sergilediği mekanik ve ısıl özellikler açısından, gerçekten de vermiküler grafitli dökme demirin bu iki malzeme arasında bir yerde durduğu doğru.

dokme demir turleri

Bu yazıda, mekanik özellikleri bir kenara bırakıp, vermiküler grafitli dökme demirin ısıl özellikleri üzerinde duracağız. Hatta belki de biraz kuşkuyla bakacağız dersek, belki daha doğru bir ifade olur: Çünkü bu dökme demir türü her ne kadar ısıl özellikleri iyi bir malzeme olarak biliniyor olsa da, bu özelliklerinin gerçekte ne kadar iyi olduğu konusunda gözden kaçırdığımız bazı noktalar olabiliyor.

Isıl özellikleri etkileyen faktörler

Sadece malzeme ve mikroyapısal faktörler perspektifinden baktığımız zaman, ısı iletimi becerisini etkileyen başlıca üç parametre olduğunu görüyoruz: 1. Grafit parçacıklarının biçimsel özellikler ve sayısı, 2. ferrit/perlit oranı ve 3. yapıdaki karbür miktarı. Şimdi teker teker bu parametrelere yakından bakalım.

1. Grafit parçacıklarının biçimsel özellikleri ve sayısı

Grafit, kendini çevreleyen demir matrise kıyasla daha yüksek bir ısıl iletkenliğe sahip. O nedenle grafitin ısıyı daha etkin bir şekilde iletmesini sağlayabildiğimiz zaman, dökme demirin ısıl iletkenliğinin arttığını görüyoruz. Burada bizim için iki önemli değişken var: Grafit parçacıklarının biçimsel özellikleri ve sayıları. Grafit parçacıkları hacimlerine kıyasla düşük bir yüzey alanına sahip olan küresel şekilde büyüdükleri zaman, ısı iletkenliğinin azaldığını, daha geniş bir yüzey alanına sahip olan yaprak biçiminde, yani lamel formunda büyüdüklerinde ise ısı iletiminin daha etkin bir şekilde sağlanması nedeniyle ısı iletkenliğinin arttığını görüyoruz. Vermiküler grafitli dökme demirlerde görülen solucanımsı grafit parçacıkları da lamel parçacıkları andırır şekilde geniş yüzey alanına sahip oldukları için, sferoya kıyasla daha yüksek, ama lamele kıyasla daha düşük bir ısı iletim becerisinin ortaya çıkmasına yol açıyorlar. Grafit parçacıklarının sayısının artması da, doğal olarak, malzemenin ısı iletim becerisini arttıran bir etken olarak karşımıza çıkıyor.

2. Ferrit/perlit oranı

Ferrit ve perlitin ısıl iletlenlikleri birbirinden farklı. O nedenle yapıda ne kadar ferrit ve perlit bulunduğu da ısı iletkenliği üzerinde önemli bir etki yaratıyor. Perlit, ferrit ve sementit (karbür) fazlarının bir karışımı olduğu ve karbür parçacıklarının ısı iletkenliği düşük olduğu için, ister istemez perlit miktarı arttıkça ısı iletim becerisinin bu artıştan olumsuz etkilendiğini görüyoruz. O nedenle dökme demirlerin ısı iletkenliklerini değerlendirirken, yapıda bulunan ferrit/perlit oranını da dikkate almak gerekiyor.

Gri dökme demirlerde görülen lamel grafit parçacıklarının ortaya çıkardığı yüksek ısı iletim becerisi, malzemenin ısı iletkenliği üzerinde baskın bir etki yaratıyor. O nedenle gri dökme demirlerde yapıdaki ferrit/perlit oranının, diğer dökme demir türlerine kıyasla ısı iletkenliği üzerinde daha az hissedilen bir etkiye sahip olduğunu görüyoruz. Küresel (sfero) ve vermiküler grafitli dökme demirlerde ise, ferrit ve perlit oranının daha belirleyici bir etkiye sahip olduğunu gözlemliyoruz.

3. Yapıdaki karbür oranı

Karbür parçacıkları düşük ısı iletkenlikleri nedeniyle, malzemenin ısıl iletkenliğini olumsuz yönde etkiliyor. O nedenle SiMo alaşımlı sfero dökme demirler gibi içinde karbür parçacıkları gördüğümüz dökme demirlerin ısıl iletkenlikleri düşüyor.

Hangi parametre daha baskın?

Sanayide yaygın şekilde dökülen dökme demir türlerini düşündüğümüzde, yukarıda sayılan parametrelerden özellikle ilk ikisinin, yani grafit şekli ve ferrit/perlit oranının ısıl özellikler üzerinde belirleyici bir etkiye sahip olacağını tahmin edebiliriz. Bu noktada ferrit/perlit oranı üzerinde biraz daha durmamız faydalı olabilir. Çünkü grafit parçacıkları ısıyı iyi iletebilen vermiküler yapıda oluşmuş olsa da, yapının baskın şekilde perlitik olması, ısıl özelliklerin kötüleşmesine yol açabiliyor.

Yukarıda da belirttiğimiz gibi, gri dökme demirlerdeki lamel grafit parçacıkları ısıl özellikleri baskın bir şekilde etkilediği için, ferritik de olsa, perlitik de olsa dökme demirin iyi bir ısı iletkenliği sergilediğini gözlemliyoruz. Fakat küresel (sfero) ve vermiküler grafitli dökme demirlerde perlit oranı yüksek olduğu zaman, ısı iletkenliği bu durumdan olumsuz yönde etkileniyor ve ısı iletkenliği oldukça düşük seviyelere gerileyebiliyor.

dokme demir isil iletkenlik

Örnek olarak yukarıdaki grafik üzerinde, bu üç malzemenin ısı iletkenlikleri hakkında bazı sayısal değerler görebiliyoruz. Vermiküler ve küresel (sfero) dökme demirlerde görülen geniş bant aralığı, ferrit/perlit oranının baskın etkisi nedeniyle ortaya çıkıyor. Tahmin edebileceğiniz üzere perlit oranının yüksek olması, ısı iletkenliği değerlerini yukarıdaki grafik üzerinde düşük değerlere geriletiyor.

Bazı örnek değerler vermek gerekirse, ferrit fazının ısıl iletkenliği oda sıcaklığında 80 W/m°C civarında iken, perlit için bu değer 50 W/m°C civarına düşüyor. Bunun sonucu olarak ferritik bir yapı sergileyen EN-GJS-400-15 dökme demirlerde ısıl iletkenlik değerleri 38,5 W/m°C olarak ölçülürken, perlitik yapıya sahip EN-GJS-700-2 dökme demirlerde bu değerin 29,8 W/m°C değerine gerilediğini görüyoruz [1].

Vermiküler grafitl dökme demirin ısı iletkenliği ne kadar iyi?

Bu kıyaslama bizi enteresan bir noktaya getiriyor: Perlit miktarının yüksek olduğu durumlarda, yukarıdaki grafik üzerinde de görebileceğiniz gibi, vermiküler grafitli dökme demirin ısıl iletkenliği aslında sfero dökme demirlerde görülen değerlere benzer bir seviyeye geriliyor. Yani bu açından baktığımızda, aslında perlitik vermiküler dökme demirleri kullanmanın pek de bir avantajı olmadığı görüyoruz. Özellikle otomotiv alanında kullanılan EN- GJV-450 dökme demirler yüksek oranda perlit içerdikleri için, bir açıdan baktığımızda bu malzemenin aslında sfero dökme demire kıyasla pek bir avantajının kalmadığını görüyoruz.

Çözüm nerede?

Vermiküler grafitli dökme demirde yüksek bir ısı iletim becerisi elde edebilmek için, grafit parçacıklarının gerçek anlamda vermikülerleşmiş olduklarından ve sadece bozunmuş kürelerden ibaret bir yapı elde etmediğimizden emin olmamız gerekiyor. Örnek olarak aşağıdaki resim üzerinde ISO 16112 standardı uyarınca grafit parçacıklarının küresellik değerlerinin nasıl tarif edildiği gösteriliyor. Sizin de görebileceğiniz gibi, küresel parçacıkların biçimlerinin biraz bozulmuş olması, bu parçacıkların vermiküler olarak sınıflandırılabileceği anlamına gelmiyor. Vermiküler parçacıkları elde edebilmek için, tıpkı lamel grafit gibi geniş yüzey alanına sahip ve mikroskop altında solucana benzeyen parçacıkları elde ettiğimizden emin olmamız gerekiyor.

vermikuler dokme demir

Perlitin bu olumsuz etkisini dikkate aldığımızda, bir diğer çözüm yolunun da perlit yapısını tamamen kaldırıp, sadece ferritik yapı sergileyen bir vermiküler dökme demir üretmek olduğunu anlayabiliyoruz. Tabii ferrit yapısının yumuşak doğası gereği, bu tür dökme demirlerde dayanımın düşük olacağını biliyoruz. Fakat katı çözelti sertleşmesiyle güçlendirilen ferritik sfero dökme demirlerde (SSF-DI) olduğu gibi, vermiküler grafitli dökme demirleri de bu şekilde üretme yoluna gidersek (SSF-CGI), hem ısıl iletkenliği, hem de dayanımı yüksek bir malzeme elde edebiliriz. Bu malzemeler hakkında daha fazla bilgi isteyen okuyucularımız, daha önce yayımladığımız bu makaleden bilgi alabilirler.

Kaynaklar

  1. Thermal conductivity of gray iron and compacted graphite iron used for cylinder heads. W.L. Guesser, I. Masiero, E. Melleras, C.S. Cabezas,Revista Materia, Vol. 10 (2005) 265.
  2. Ductile iron data for design engineers (Ductile.org).
  3. Compacted (vermicular) graphite cast irons – Classification. ISO 16112 International Standard. ISO (2017).

İçerik hazırlığında kullanılan tüm kaynakların listesi için tıklayın.

Kategoriler:Dökme demir

Etiketler:,