Çelik döküm parçalarda makrosegregasyon

Bu yazıda, çelik döküm parçalarda sıklıkla gördüğümüz bir diğer sorun üzerinde duracağız: Makrosegregasyon. Aslında bu sorunun sadece çelik döküm parçalara mahsus olduğunu söyleyemeyiz. Alüminyum alaşımlarında, hatta yönlü katılaştırılan tek taneli (single crystal) parçalarda bile makrosegregasyonun önemli bir sorun olduğunu belirtmemiz lazım. Fakat konuyu bu kadar geniş bir kapsamda ele almak yerine, bu yazıda çerçeveyi sadece çelik döküm parçalarla sınırlı tutacağız.

Makrosegregasyon, en basit ifade şekliyle, döküm parçalarda gördüğümüz kompozisyon farklılıklarına verdiğimiz isim. Malzemeyi oluşturan elementlerin homojen bir şekilde dağılmak yerine, belli konumlarda birikmesi şeklinde de düşünebilirsiniz. Segregasyon tabirinin önünde makro– ifadesinin yer alıyor olması, bu kompozisyon farklılıklarının makro ölçekte, yani mikroskobik olarak tanımlayabileceğimiz ölçeğin daha üzerinde gerçekleştiğini gösteriyor. Bunun oldukça geniş bir ölçü aralığı olduğunu düşünüyor olabilirsiniz. Gerçekten de öyle: Makrosegregasyon milimetre ölçeğinde ortaya çıkabileceği gibi, büyük döküm parçalarda metrelere yayılan mesafelerde de kendini gösterebiliyor.

Makrosegregasyon neden ortaya çıkıyor?

Makrosegregasyonun oluşma nedeni, döküm parçanın homojen bir şekilde katılaşmıyor olması. Bu düzensizliğe bağlı olarak, bazı elementler kalıp içindeki farklı konumlarda birikme eğilimi gösterebiliyorlar. Örneğin yandaki resimde [1] %1,3 Mn içeren bir çelik parçada mangan atomlarının bazı konumlarda nasıl biriktiğini görebilirsiniz. Resimde sağda gösterilen haritada açık renkli bölgeler, mangan atomlarının yüksek miktarda biriktiği bölgeleri gösteriyor. Dikkat ederseniz, resimde gösterilen kesitin yüksekliği yaklaşık 20 santimetreye denk geliyor. Yani, gerçekten de makro diyebileceğimiz bir ölçekte kendini gösteren bir kompozisyon dalgalanmasından bahsediyoruz.

Bazı elementlerin katılaşma sırasında katı tarafından sıvıya kusulduğunu biliyoruz. Bu şekilde sıvıda biriken elementler belli bir seviyeye ulaştıklarında, bazı istenmeyen fazları ortaya çıkartabiliyorlar: Örneğin, tane sınırlarında gördüğümüz karbürler gibi. Tabii bu karbürler mikroskobik ölçekte oluştuğu için, bu durumu mikrosegregasyon olarak adlandırmamız daha doğru olur. Biz şimdilik konuyu dağıtmayalım ve makro ölçekteki segregasyon kendini ne şekilde gösteriyor, ona bakalım.

Döküm parçada makrosegregasyon örneği

Makrosegregasyonun nasıl bir yapıda ortaya çıktığını anlamak için, aşağıdaki resimde gösterilen çelik ingota bakalım. Dikkat ederseniz, makrosegregasyon farklı konumlarda ve farklı biçimlerde ortaya çıkabiliyor. Örneğin ilk olarak ingotun en alt kısmında görülen ters segregasyon (negative segregation) bölgesini ele alalım. Katılaşmanın ilk aşamalarında bu bölgede oluşan taneler (eşeksenli dendritler) çözünen elementleri sıvıya kusarak büyüdükleri için, bu bölgede alaşım elementerinin oranın düşük kaldığını görüyoruz.

Ne demek istiyoruz, bir örnekle açıklayalım: Mesela döküm parçanın alaşımında %1 mangan olması gerekirken, bu bölgede mangan seviyesinin %1’in atında kaldığını görüyoruz. Yani mangan atomlarının bu bölgede birikmek yerine, seyreldiklerini gözlemliyoruz. Zaten bu nedenle de bu duruma ters segregasyon adını veriyoruz.

Parçanın ortasında ve üst kısımlarında gördüğümüz segregasyonda ise çözünen elementlerin biriktiklerini gözlemliyoruz. Yukarıda bahsettiğimiz ters segregasyon durumunda karbon, mangan, silisyum, kükürt ve fosfor gibi çözünen elementlerin, ortalama kompozisyonun altında kaldıklarını görüyorduk. Segregasyonun olduğu bu bölgelerde ise, bu elementlerin ortalama kompozisyonun üzerinde değerlerde biriktiğini görüyoruz. Yani, yukarıdaki mangan örneğine geri dönecek olursak, ortalama kompozisyonda %1 mangan olması gerekirken, bu bölgelerdeki mangan seviyesinin %1’in üzerine çıktığını görüyoruz. Bu birikimin yapısı V, ya da ters V, yani A harfini ortaya çıkartacak şekilde bir doku sergileyebiliyor. Bu dokuya sahip segregasyon yapısından bazı kaynaklarda kanal segregasyonu adıyla bahsedildiğini görebilirsiniz.

Nasıl giderilebilir?

Açıkçası segregasyon, çelik döküm parçalarda giderilmesi en zor problemlerden bir tanesi. Katılaşmanın doğası gereği, tamamen ortadan kaldırılmasının imkânsız olduğunu da belirtmemiz gerek. Katılaşma öncesinde sıvı içinde bir hareket olması – biz bu harekete taşınım (konveksiyon) adını veriyoruz – bu kompozisyon farklarını ortaya çıkartan en önemli etkenlerden bir tanesi. Bunun dışında kalıbın konikliği ve tane büyüklüğü gibi etkenler de segregasyon seviyesini etkileyen faktörler arasında yer alıyor.

Makrosegregasyonu ortadan kaldırmak için ısıl işlem de bize bir çare sunamıyor. Isıl işlem mikroskobik ölçekte oluşan mikrosegregasyonu ortadan kaldırabiliyor. Fakat bu yazıda ele aldığımız makrosegregasyon durumunda ısıl işlem de bir fayda sağlamıyor. Çünkü atomların difüzyonla ilerleyebildiği mesafelere kıyasla çok daha büyük ölçekte kendini gösteren bir problemden bahsediyoruz. Bu noktada simülasyon yazılımlarına başvurmak, taşınım (konveksiyon) ve makrosegregasyon işleyişlerini anlayabilmemiz konusunda bize yardımcı olabiliyor. Döküm ve kalıp tasarım parametrelerini segregasyonu minimize edecek şekilde belirleyerek, bu sorunu tamamen gidermek her zaman mümkün olmasa da, en azından kontrol altına almayı başarabiliyoruz.

Kaynaklar ve ek bilgiler

Macrosegregation in steel ingots: The applicability of modelling and characterization techniques. E.J. Pickering. ISIJ International, Vol 53 (2013) No: 6, 935.
Elimination of hot tears in steel castings by means of solidification pattern optimization. P. Kotas, C.C. Tutum, J. Thorborg, J.H. Hattel. Metallurgical and Materials Transactions 43B (2012) 609.

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.)