Bor: Dökümhanelerde istenmeyen bir element

Bu yazıda, küresel grafitli dökme demir alaşımlarında yok denecek kadar az miktarda bulunmasına rağmen, oldukça ciddi zararlı etkilere yol açabilen bir element üzerinde duracağız: Bor (B).

Bu elemente dair ne bilmemiz gerekiyor? Her şeyden önce literatürde sunulan bilgilere baktığımızda, borun oldukça güçlü bir karbür yapıcı olduğunu görüyoruz. Ductile Iron Society’nin 1991’de yayımladığı Kalite Kontol El Kitabında [1] bu element, bilinen en güçlü karbür yapıcılardan biri olarak tanımlanıyor. Yapıda 10-20 ppm (%0,0010 – %0,0020) aralığında bulunması bile, sferodaki perlit miktarının azalması için yeterli oluyor. Bor içeren bir sıvıyla sfero üretirken perliti tekrar arttırabilmek için dökme demir alaşımına bakır ya da kalay takviyesi yapmanız gerekiyor [2].

Çok düşük seviyelerde bulunduğunda bile etkili olması nedeniyle, bu element zaman zaman dökümhanelerin dikkatinden kaçabiliyor. Farkındalık yaratması açısından bir ipucu verelim: Eğer istenen bakır miktarını eklemiş olmanıza rağmen ürettiğiniz perlitik küresel grafitli dökme demirin sertliği istenen değerin altında kalıyor ve nedenini bulmakta zorlanıyorsanız, bor miktarını bir kontrol etmenizi önerebiliriz.

Bor için bilinen en güçlü karbür yapıcı elementlerden bir tanesi dedik. Böyle bir elementin zararlı etkileri sadece perlit miktarını azaltmaktan ibaret olabilir mi? Elbette hayır: Borun en sevimsiz taraflarından biri de biriken bir element olması. Yani her ne kadar ilk etapta dökümhanenizin kapısından eser miktarda bor girmiş olsa bile, bu element döndülerle tekrar tekrar ocağa girip birikmeye başlıyor. Alaşımdaki miktarı yaklaşık 20 ppm (%0,0020) üzerine çıktığı zaman da, ısıl işlemle giderilmesi mümkün olmayan karbür parçacıklarının oluşumuna yol açmaya başlıyor.

Literatürde sunulan bilgilere göre, borun etkilerini özellikle kalın kesitli parçalarda görüyoruz [3]. Örneğin kalın kesitli silindir yapısındaki parçalarda ters çil adını verdiğimiz duruma yol açabiliyor. Küre sayısı üzerinde de olumsuz etkileri olan bu element, yaklaşık 15 cm çapında bir parçanın uzamasını %50’ye varan oranlarda aşağı çekebiliyor.

Bazı kaynaklarda bordan perlit yapıcı bir element olarak bahsedildiğini görebilirsiniz. Bu etkiyi ortaya çıkartabilmesi için alaşımdaki bor seviyesinin yaklaşık 10 ppm (%0,0010) mertebesinde olması gerektiğini bilmemizde fayda var. Bu seviyenin üzerinde bulunan bor, yukarıda saydığımız problemlere yol açmaya başlıyor.

Bor nereden geliyor?

Borun sıvı içine girmesine yol açan kaynaklarından bir tanesi çelik hurdalar. Biz dökümhanelerde bu elementi her ne kadar istemesek de, çelik üreticileri orta karbonlu çeliklerin sertleşebilirliğini arttırmak için bu elementi uzun yıllardır kullanıyorlar. Çeliklere genellikle 30 – 50 ppm oranında eklenen bu element, hurda vasıtasıyla siz farkında olmadan ocağınızın içine girebiliyor [4].

Eğer temper dökme demir hurdası ya da döndüsü kullanıyorsanız, yine bu elementin ocağa girmesine fırsat veriyor olabilirsiniz. Çünkü temper dökme demir üretimindeki birinci grafitleşme adımını desteklemek için bor takviyesi yapıldığını görebiliyoruz.

Silika ve alümina bazlı ocak astarlarının sinterlenmesine yardımcı olmak için bu astarlara B₂O₃ ve diğer çeşitli borlu bileşiklerin eklendiğini biliyoruz. Astardaki bu borlu bileşikler, dökme demirdeki silisyum ve özellikle yüksek sıcaklıklarda karbon tarafından indirgendiği için, bor sıvı dökme demir içine geçebiliyor. Yani siz hurdanıza ve döndünüze dikkat etseniz bile, bu sefer kullandığınız astar malzemesinin azizliğine uğrayabiliyorsunuz.

Bu saydığımız potansiyel kaynaklara ek olarak, bazı ferroalyajların da eser miktarda da olsa bor içerdiklerini belirtelim.

Boru sferodan nasıl elimine edebiliriz?

İşte şimdi sormamız gereken esas soruya geldik: Bor bir defa sıvı içine girdikten sonra iş işten geçti mi diyeceğiz? Yoksa bu elementi gidermenin bir yolu var mı?

Neyse ki, bu zararlı elemente karşı çaresiz değiliz: Fakat işimiz çok kolay da değil. Çeşitli oksitlerin göreceli kararlılığı üzerine yapılan termodinamik hesaplara baktığımız zaman, sıvıya eklenen SiO2 ya da NaO₂ gibi oksitlerin, sıvıdaki boru oksitleyerek cürufa gönderebileceğini görüyoruz. Fakat literatürde sunulan araştırmalar, durumun pek de bu kadar basit olmadığını gösteriyor. Örneğin Naro’nun çalışmasında [2] ocağa ton başına yaklaşık bir kilo flaks ekledikten ve flaksı sıvıyla 45 dakika boyunca temas halinde tuttuktan sonra yapılan analizlerde bor miktarının 19 ppm seviyesinden 11 ppm seviyesine indiğini görüyoruz: 45 dakikalık bir işlem için oldukça mütevazi bir değer.

Benzer şekilde sodyum karbonat (Na₂CO₃) ilavesiyle de sıvıdaki boru gidermek mümkün olabiliyor [5]. Termodinamik hesaplara göre düşük sıcaklıkta yapılan işlemlerde borun daha etkin bir şekilde giderilmesi gerekiyor. Bu beklentinin pratikteki yansımalarını görebiliyoruz: Gagne’nin sunduğu verilere göre [5] 20 ppm bor içeren bir sıvıya 1550°C sıcaklıkta ton başına 20 kilogram eklenen sodyum karbonat bor seviyesini 15 ppm seviyesine çekerken, aynı işlem 1400°C’de yapıldığında bor seviyesinin 4 ppm’e düştüğü görülüyor.

Dolayısıyla, bor giderme işleminden verim alamayan dökümhaneler, bu işlemi daha düşük bir sıcaklıkta tekrarlayarak sürecin daha verimli hale gelmesini sağlayabilirler gibi görünüyor.

Kaynaklar ve ek bilgiler

Quality Control Manual. Ductile Iron Society (1991).
Elimination and neutraliztion of boron in ductile irons. R.L. Naro, J.F. Wallace, Y. Zhu. Ductile Iron Society (2004) Project No: 39.
A literature survey of the effects of certain minor elements on the properties of nodular iron. E. Wyatt, K. Holmes. Army Materials and Mechanics Research Center, AMMRS (1968) MS68-07.
Hardenebility effect of boron in carbon steel. R.A. Grange, H.R. Hribal. U.S. Steel Technical Report 40.061(1) (1972).
Suggestions for ductile iron production – 108. M. Gagne, C. Labrecque. Sorelmetal (2006).

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.)