Dökme demirde gaz gözeneklerinin kökeni

Bu yazıda dökümhanede henüz üzerinde durmadığımız gaz sakatlarıyla ilgili bir durumu ele alacağız. Döküm parçalarda nispeten büyük ölçekte gördüğümüz gaz boşluklarını şimdilik bir kenara bırakıp, bu yazıda gözenek, ya da zaman zaman karınca hatası olarak da adlandırılan, ufak gaz gözenekleri (İngilizce: pinhole) üzerinde duracağız.

Öncelikle bu minik gaz gözeneklerine yakından bir bakalım: Bu ufak gözenekler parçanın herhangi bir yerinde teker teker ortaya çıkabildiği gibi, parçanın yüzeyindeki geniş bir alanı kaplayacak şekilde de oluşabiliyorlar. O nedenle bu gözenekleri teker teker, ya da gruplar halinde görürüz şeklinde bir ayrım yapamıyoruz. Benzer şekilde, bu kabarcıklar parçanın yüzeyinde görülebileceği gibi, yüzey işlendikten sonra yüzeyin hemen altında da göze çarpabiliyor. Fakat her iki durumda da, metalografik incelemeye gerek kalmadan, bu ufak boşlukları çıplak gözle tespit edebiliyoruz. Eğer parça yüzeyinde görülecek şekilde ortaya çıkan gözenekler oluşmuşsa, bu gözenekler üzerinde metalik bir yüzey görebileceğimiz gibi, gözeneklerin yüzeyinde ince bir grafit tabakasının olduğunu ve cüruf kalıntılarıyla birlikte bulunduklarını da gözlemleyebiliyoruz. Uzun lafın kısası, hem görüntü, hem de parça üzerinde bulunma konumları açısından, birçok farklı şekilde ortaya çıkabilen minik, iğne başı boyunda gözeneklerden bahsediyoruz. Bu minik ve boşluklu yapıları nedeniyle zaman zaman bu hatanın mikro çekinti ile karıştırıldığını da parantez içinde belirtelim.

Nasıl bir hatadan bahsettiğimiz konusunda, dökümhane tecrübesine sahip herkesin kafasında muhtemelen bir resim oluşmuştur. Şimdi bu gaz kabarcıklarının içinde ne gazı varmış, bir de ona bakalım.

Döküm hataları sınıflandırmasında, gözle ayırt edilmesi pek mümkün olmayan iki temel gözenek türü var: hidrojen gözenekleri ve azot-hidrojen gözenekleri. Bu iki gözeneğin dışında, CO gözenekleri adını verdiğimiz üçüncü bir gözenek türü daha bulunuyor.

Hidrojen ve azot-hidrojen gözenekleri

Öncelikle hidrojen ve azot-hidrojen gözeneklerine bakalım: Bu gözeneklerin oluşma sürecinin ilk aşamasında, sıvı dökme demir içinde bulunan alüminyum ve titanyum gibi kolay oksitlenen elementler var. Bu metalik elementlerin oksitlenmesiyle gaz gözeneği arasında ne ilişki var diye düşünüyorsunuz, değil mi? Bu elementleri oksitleyen şeyin oksijen değil de, su molekülleri olduğunu düşünün. Su molekülündeki oksijen metalle birleşince, molekülde kalan hidrojen sıvı dökme demirin içinde kalmış olacak. Şimdilik, sıvı dökme demir içinde serbest takılan bu hidrojen atomlarını aklımızın bir köşesinde tutalım.

Sıvı dökme demirin sıcaklığı, havada bulunan azot ve hidrojen gazını çözüp, bu atomları içine alabilecek kadar yüksek değil. Fakat azot ve hidrojenli bileşiklerin sıvı dökme demirin yüzeyinde çözünmesiyle de bu atomlar sıvı içine girebiliyorlar. Yani sıvı dökme demir içine oksitlenme sonucu giren hidrojen atomlarına ek olarak, bir de sıvının içine bu şekilde sızan hidrojen ve azot atomları söz konusu olabiliyor.

O zaman bu ufak gaz atomları bir araya gelip, gaz kabarcıklarını oluşturuyor olmalı diye düşünüyorsanız, cevabı hayır. Kabarcıkları oluşturan şey CO gazı. Son olarak bir de bu CO gazı nereden geliyor, ona bakalım. Merak etmeyin, tüm bu anlatılanlar birazdan bir noktada birleşecek. Biraz daha sabır.

Sıvı içinde oksitlenen metal miktarı arttıkça ve cüruf zenginleştikçe, bir yerden sonra bu oksitler, sıvı dökme demirde bulunan karbon atomlarıyla tepkimeye girerek indirgeniyorlar. İşte bu indirgenme sonucunda, oksijen ve karbonun birleşmesiyle ortaya CO gazı çıkıyor. Fakat işin bu aşamasında oluşan bu kabarcıklar henüz çok küçük. Neredeyse mikron mertebesinde bir boyuttan bahsediyoruz.

O zaman bu küçük kabarcıkları büyüten şey nedir, diye soracak olursanız, yukarıda bahsettiğimiz hidrojen ve azot atomları işte bu noktada devreye giriyorlar: Bu atomlar, sıvı içindeki bu küçük CO kabarcıklarına denk geldiklerinde, kabarcığın içine girerek büyümelerini sağlıyorlar. Yani ilk başta CO içeren bu minik kabarcıklar, hidrojen ve zaman zaman da azotun içeri girmesiyle dolup şişiyorlar. Sıvıdan hafif olmaları nedeniyle yüzeye giden bu ufak kabarcıkları, katılaşan parça yüzeyinde, ya da yüzeyin hemen altında ufak gözenekler halinde görüyoruz. Bu kısa tariften sonra, sadece hidrojenle büyüyen gözeneklerle, hem azot, hem de hidrojenle büyüyen gözenekler arasında neden bir fark göremediğimiz anlaşılmıştır herhalde.

CO gözenekleri

Bu iki tür dışında, bir de sadece CO ile büyüyen gözenekler olduğunu yukarıda söylemiştik. Bu gözeneklerin sadece CO ile büyüyebilmeleri için, tahmin edebileceğiniz üzere, bu gözenekleri büyütmeye yetecek kadar CO gazı oluşması gerekiyor.

Peki, bu kadar çok miktarda CO gazı nereden geliyor? Cevabı, yine cürufta saklı: Cüruf içindeki MnO ve MnS miktarı yükseldiği zaman, bu bileşikler de sıvı dökme demirdeki karbonla tepkimeye girerek CO gazı oluşmasına neden olabiliyorlar. Bu şekilde ortaya çıkan CO gazı, bu kabarcıkları tek başına büyütmeye yetebiliyor. Tabii eğer sıvı dökme demir içinde gezinen hidrojen ya da azot atomları varsa, bu atomlar da bu kabarcıkların içine sızarak, büyümelerine katkıda bulunabiliyorlar.

Sorunun kaynakları

Mekanizmayı anladıktan sonra, nedenleri de aslında kendiliğinden anlayabiliyoruz, öyle değil mi? Örneğin sıvının içine bir şekilde hidrojen giriyorsa, bu bizim için kötü. Ya da CO gözeneklerinde gördüğümüz kadarıyla, yüksek seviyede mangan da bu hatanın oluşması açısından istenmeyen bir durum ortaya çıkartıyor. Mekanizma anlaşılınca, bunları görmek kolaylaşıyor.

O zaman, nemli ya da paslı şarj malzemelerinin bu problemi tetikleyebileceğini, fazla kafa yormamıza gerek kalmadan anlayabiliyoruz. Korumasız bir şekilde açıkta bekletilen ferroalyajlar da bir dereceye kadar nem tutabildikleri için, bu ferroalyajları mutlaka kuru bir şekilde tutmamız gerekiyor. Son olarak, tahmin edebileceğiniz gibi, havanın nemli olması da bu problemi tetikleyebilecek etkenlerden bir diğeri. Azot ise, metalurji kökenli okuyucularımızın bildiği gibi, çeşitli çelik hurdalarından ve pik demirden gelebiliyor.

Azot ve hidrojen atomlarının çeşitli metallerin oksitlenmesi sonucunda sıvıya girdiklerini yukarıda söylemiştik. Bu sebeple, bu gözeneklerden kurtulabilmek için, alüminyum ve titanyum gibi elementlerden mümkün olduğunca kaçınmakta fayda var. Benzer şekilde, bu hata ile uğraşan dökümhanelerin bu elementleri içeren aşılardan da uzak durmaları gerekiyor. Son olarak, CO gazının oluşumunu engelleyebilmek için mangan ve kükürt miktarını çok fazla yükseltmemek ve bu elementler açısından zengin bir cürufun oluşmasının önüne geçmek gerekiyor.

İş nemle ilgili olunca, kalıp malzemesini konunun dışında bırakma gibi bir şansımız elbette ki yok. Yaş kalıplarda nemin azaltılması, kum içinden gelebilecek azottan kaçınılması ve bentonit miktarının düşürülmesi, alabileceğiniz önlemlerden birkaçı. Reçineli kumlarda ise katma oranının azaltılması ve maçaların gaz çıkışının etkin bir şekilde sağlanmasıyla, bu problemin önüne geçmeniz mümkün olabilir.

---

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.)