Beyaz dökme demirin katılaşma sırası ve yapısı

Dökümhane Akademi’de yayımlanan birçok yazıda, grafitin katılaşma sırasında yapıdan ayrışabildiği dökme demir türleri üzerinde durduk. Bu yazıda ise, karbonun katılaşma sonrasında yapı içinde çözünmüş olarak kaldığı, beyaz dökme demirden bahsedeceğiz.

İlk olarak tüm beyaz dökme demirlerin ötektik altı kompozisyona sahip olduğunu, yani karbon eşdeğerlerinin 4.3’ten küçük olduğunu belirterek başlayalım. Karbon eşdeğerinin yüksek olduğu durumlarda karbonun yapıdan ayrışmadan kalması mümkün olmadığı için, beyaz dökme demiri bu tür dökme demirlerin yapısında pek gözlemlemiyoruz.

Beyaz dökme demir, aslında çeliğe benzer bir yapı sergiliyor. Çelik üretiminde de demir karbonla alaşımlanıyor. Fakat çelik üretiminde demir içinde bulunan karbon miktarı çok düşük olduğu için, bu karbon katılaşma sırasında yapıdan ayrışmıyor ve çözünmüş olarak kalıyor. Beyaz dökme demirde de benzer bir durum söz konusu. Fakat dökme demirlerin içerdiği karbon miktarı çeliklere kıyasla çok daha yüksek olduğu için, sıvı fazda çözünmüş olarak bulunan karbonun çökelmesine fırsat vermeden malzemeyi katılaştırmak gerekiyor. Bunun için de ya malzemeyi hızlı soğutmak, ya da grafitin üzerinde çekirdeklenebileceği yüzeyleri sıvıdan uzak tutmak gerekiyor.

Bu yapının nasıl oluştuğunu aşağıdaki demir-karbon denge faz diyagramı üzerinde açıklayalım. Aşağıdaki diyagram üzerinde x1 ile gösterilen bir dökme demir alaşımı hazırladığımızı düşünelim. Kompozisyon eksenine bakılırsa, malzemenin yaklaşık %3 civarında karbon içerdiğini görebiliriz. Yine diyagram üzerinde gösterildiği gibi, sıvı dökme demirin ocakta yaklaşık 1450°C civarına ısıtıldığını ve sıvı fazda beklediğini düşünelim. Bu durumda, karbon sıvı içinde tamamen çözünmüş olarak bulunuyor.

Alaşımı bir kalıba döküp soğumaya bıraktığımızda, sıcaklık sırasıyla x2, x3 ve x4 noktalarını takip ederek oda sıcaklığına ulaşıyor. Sıcaklık ilk olarak x2 noktasına geldiği zaman, yaklaşık %1 karbon içeren östenit kristallerinin çekirdeklenmesiyle katılaşma başlıyor. Dikkat ederseniz, ilk başta sıvıda yaklaşık %3 oranında karbon olduğunu belirtmiştik. Katılaşan ilk östenit kristalleri daha düşük miktarda (~%1) karbon içerdiği için, geriye kalan fazladan karbonun sıvıda birikmesi gerekiyor. Diğer bir deyişle, sıvıdaki karbon miktarı soğuma devam ettikçe artıyor.

Sıcaklık x3 ile gösterilen noktanın hemen üzerine geldiğinde, kalıp içindeki yaklaşık %2 oranında karbon içeren östenit dendritleri ile %4.3 oranında karbon içeren sıvı bulunuyor. Sıvıdaki karbon miktarının artmasının nedeni, yukarıda da belirttiğimiz gibi, östenit içinden atılan karbonun sürekli sıvı içinde birikiyor olması.

Sıcaklık x3 ile gösterilen ötektik sıcaklığa geldiğinde, östenit kristalleri arasında kalan sıvı, ötektik tepkime sonucunda sementit fazına dönüşüyor. Östenit ve sementit fazlarının karışımış halde bulunduğu bu katı yapıya metalurjide ledebürit adını veriyoruz. Buradaki kritik nokta, bu dönüşüm gerçekleşirken sıvı içinde birikmiş olan karbonun ayrışmadan yapıda kalıyor olması. Örneğin beyaz değil de, lamel graiftli (gri) dökme demir ya da küresel grafitli (sfero) dökme demir üretiyor olsaydık, grafitin ayrışmasını beklediğimiz sıcaklık, yine x3 ile gösterilen bu ötektik sıcaklık olacaktı. Ötektik tepkime nispeten yüksek bir sıcaklıkta gerçekleştiği için, ledebürit çoğu ötektikte gözlemlediğimiz gibi ince bir karışım halinde değil, daha iri bir karışım yapısı sergileyerek ortaya çıkıyor.

Soğuma sürecinin devamında, sıcaklık x3’ten x4’e doğru azalırken, yapıda ötektoid öncesinde oluşan (proötektoid) sementit fazı, daha önce çökelen sementitin üzerinde çökelmeye devam ediyor. Son olarak sıcaklık x4 ile gösterilen ötektoid noktaya geldiğinde ise, yapıda kalan östenitin ötektoid tepkime sonucunda perlite dönüşmesiyle beyaz dökme demirin yapısı ortaya çıkmış oluyor. Soğuma sürecinin devamında, yapıda başka bir değişim olmadan parçanın oda sıcaklığına kadar soğuduğunu görüyoruz.

Beyaz dökme demir (Resim: Core Materials, CC BY-NC-SA 2.0)

Oda sıcaklığında beyaz dökme demirin yapısını incelediğimizde, perlite dönüşmüş östenit dendritleriyle birlikte, yine dendritik bir yapı sergileyen sementit ağını görüyoruz. Bu yapıda karbon ayrışması olmadığı için, yapıda hiçbir şekilde grafit gözlemlemiyoruz. Yandaki mikroyapı fotoğrafı üzerinde tipik bir beyaz dökme demir yapısı gösteriliyor. Bu yapıda koyu renkli görülen fazın perlit, açık renkli görülen beyazımsı fazınsa sementit olduğuna dikkat ediniz. Sementit, yani demir karbür, oldukça sert ve kırılgan bir yapıya sahip olduğu için, beyaz dökme demirin de benzer şekilde sert ve kırılgan bir yapı sergilediğini görüyoruz. İşlemesi de son derece zor olan beyaz dökme demirin, bu kırılgan ve sert yapısı nedeniyle, sanayide sadece kısıtla bir kullanım alanı bulunuyor. Örnek olarak yüksek aşınma direnci istenen, fakat sünekliğin ya da darbe tokluğunun çok önemli olmadığı bilyalı değirmenlerde ya da çekme kalıplarında bu malzemenin kullanıldığını görebiliyoruz.

Sanayide üretilen beyaz dökme demirlere baktığımzda, dökülen parçaların büyük bir oranının temper dökme demir üretimi için döküldüğünü görüyoruz. Beyaz dökme demirden farklı bir yapı sergileyen temper dökme demirden başka bir yazıda bahsedeceğiz.

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.)