Dökme demirdeki Al miktarının karınca gaz hatası oluşumuna etkisi

Tıpkı çekinti gibi, karınca gaz hataları da dökümhanelerin başını ağrıtan önemli problemlerden bir tanesi. Her ne kadar bu konuda teknik literatürde yayımlanmış birçok araştırma olsa da, enteresan bir şekilde bu araştırmalardaki bulgular arasında bazı tutarsızlıklar olduğunu ve gerek gaz hatalarını teşvik eden nedenler konusunda, gerekse gaz hatalarının teşhisine yönelik tespitlerde bazı farklılıklar olduğunu görüyoruz. Bu kadar sık karşılaşılan bir hatanın teşhisi ve nedenleri konusunda net bir görüş birliğinin sağlanamamış olması bir açıdan enteresan. Ama bir açıdan da bu hataların aslında birçok farklı nedenden kaynaklanabiliyor olduğunu ve bu nedenle reçete benzeri tek bir çözümle değil, farklı etkenleri birlikte ele alabilen bir çözüm yelpazesi yaklaşımıyla ele alınması gerektiğini de gösteriyor.

Bu yazıda işin bu karmaşık tarafına dikkat çekmek için teknik literatürde sunulan bulgulara birlikte göz atacağız. Her ne kadar karınca gaz hatalarının arkasında birkaç farklı neden yatıyor olsa da, bu yazıda dikkatimizi alüminyum miktarı üzerinde yoğunlaştırıp, bu parametre perspektifinden bakarak diğer değişkenleri değerlendirmeye çalışacağız.

Karınca gaz hatalarının kaynakları

Karınca gaz hatalarını ilk olarak dış kaynaklı (exogeneous) ve iç kaynaklı (endogeneous) olarak iki sınıfa ayırarak başlayalım [1]. Dış kaynaklı derken, dökme demir alaşımının dışındaki bir etkenden (örneğin kalıptaki kimyasallar gibi) kaynaklanan hataları, iç kaynaklı derken ise malzeme kaynaklı hataları tanımlamış oluyoruz. Bu yazıda, farklı gaz gözeneklerinin türleri üzerine ayrıntılı bilgi vermeyeceğiz ama dikkatli okuyucularımız hatırlayacaklardır; ortaya çıkabilecek gaz gözeneklerinin türleri üzerine daha önce bir yazı yayımlamıştık. Bu gözeneklerin türleri hakkında bilgi almak isteyen okurlar, bu yazıya da göz atabilirler.

Dış kaynaklı (exogeneous) gaz hataları

İç ve dış kaynaklar konusuna geri dönelim. Dış kaynaklı gaz gözenekleri, genellikle kalıptaki organik bağlayıcıların sıcaklığa bağlı tahribatı sonucunda sıvı içine giren azot nedeniyle ortaya çıkıyor. Carter ve çalışma arkadaşlarının 1979 senesinde yayımladığı çalışma [2], her ne kadar biraz eski bir tarihe dayanıyor olsa da, küresel grafitli dökme demirlerde bu hatanın ortaya çıkma ihtimalinin gri dökme demire kıyasla daha yüksek olduğunu ortaya koyuyor. Bu çalışmada sunulan veriler doğrultusunda araştırmacılar, gri dökme demirde ortaya çıkan karınca gaz hatalarının çoğunlukla dış kaynaklı olduğunu ve kalıp kumundan gelen karbon içeren katkıların etkisi ve bağlayıcılardan gelen azotla birlikte hidrojenin bu hatalara yol açabileceğini belirtiyorlar. Teknik literatürde sunulan verilere göre, 80-100 ppm civarında azot bulunması, gri dökme demirde bu hatanın ortaya çıkmasını teşvik edebiliyor [3]. Üstelik bu gözenekler içinde CO ve hidrojen de yer alabileceği için, daha düşük azot seviyelerinde de bu hatanın ortaya çıkabildiğini görebiliyoruz.

Dış kaynaklı gaz gözeneklerinin oluşumunda kalıp malzemesinden gelen nemin de oldukça önemli olduğunu söylememize gerek yok. Fakat yaş kum kalıplarda neme ek olarak özellikle risk yaratan bir faktör daha var: Alüminyum miktarının yüksek olması. Alüminyumun su molekülleriyle tepkimesi sonucunda gaz hatalarının nasıl oluştuğunu, daha önce yayımladığımız bu yazıda açıklamıştık. Peki sıvıda ne kadar alüminyum olması tehlike yaratır? Teknik literatürede sunulan verilere göre 50- 1500 ppm aralığında (yani %0,005 – %0,15 bandında) alüminyum bulunması, bu hatanın oluşumunu kuvvetli bir şekilde teşvik edebiliyor. Carter’ın [5] çalışmasında gaz gözenekerinin giderilmesi için 200 ppm (%0,02) altında bir alüminyum seviyesi önerilse de, bu çalışmanın tarihi (1979) nedeniyle bu veriyi çok kesin bir doğrulukla kabul etmemekte fayda var. Daha yakın tarihli çalışmalara baktığımız zaman [4], gerçekten de daha düşük Al seviyelerinde bile bu hatanın ortaya çıkabildiğini görüyoruz: Katz’ın çalışmasında [4] sunulan veriler 50- 1500 ppm alüminyum bandında (yani %0,005 – %0,15 aralığında) gaz gözeneklerinin ortaya çıkabildiğini açık bir şekilde ortaya koyuyor. Riposan’ın [5] yayımladığı sonuçlara baktığımız zaman ise, bu gözenekleri tamamen ortadan kaldırmak için alüminyum seviyesini 50 ppm (%0,005) altında çekmemiz gerektiğini yine açık bir şekilde görebiliyoruz.

Bu gaz gözeneklerinin oluşumunun önüne geçmek için az bir miktar Ti ilave edilmesi çözüm sağlayabiliyor. Teknik literatürde sunulan verilerden yola çıkarak, %0,03 – %0,04 civarında eklenen titanyumun bu gözenekleri engellemek için bir çözüm yolu olarak tercih edilebileceğini söyleyebiliriz. Bu noktada titanyum kullanırken de dikkatli olmak gerektiğini son bir not olarak belirtelim. Çünkü yine literatür verilerine baktığımız zaman, Al ve Ti’ye ek olarak Mn seviyesinin de nispeten yüksek olduğu durumlarda, bu hataların ortaya çıkabildiğini gösteren sonuçların yayımlandığını görebiliyoruz [6]. Döküm sıcaklığının düşük olması da bu hatanın oluşumunu teşvik eden faktörlerden bir diğeri.

İç kaynaklı (endogeneous) gaz hataları

Biraz da iç kaynaklı gaz gözeneklerinin üzerinde duralım. Bu gözeneklerin oluşumunda cüruf ve sıvı dökme demirdeki karbon arasında oluşan tepkimenin önemli bir rol oynadığını görüyoruz. Cüruf içindeki MnO ve MnS miktarı yükseldiği zaman, bu bileşikler 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. Yani bu etkenler arasında sinerjik bir etkileşim olduğunu ve farklı biçimlerde işbirliği yaparak bu gözeneklerin oluşumunu teşvik edebildiklerini söyleyebiliriz. Zaten bu nedenle bu hataları teşvik eden etkenleri net bir çerçeve içinde, kesin rakamlarla tanımlamakta zorlanıyoruz.

Beklenmedik hata kaynakları

Bu yazıyı sonlandırmadan önce, hata oluşumuna neden olabilecek etkenler konusunda biraz daha ufkumuzu açmak amacıyla bir örnek verelim: Sfero dökme demir üretiminde, potada yapılan tretman sonlandığında cüruf temizliği yapıp aşıyı potaya verir vermez hızlı bir şekilde döküme geçmek gerektiğini biliyoruz. Çünkü magnezyum, yüksek buhar basıncı nedeniyle hızlı bir şekilde buharlaşıp sıvıdan ayrılma eğilimi taşıyor. Fakat bu durumda aşı hızlı bir şekilde çözünüyor olsa da, aşının çözünmesi sonucunda ortaya çıkan alüminyum gibi elementler potanın geneline yayılacak yeterli zamanı bulamıyor olabilir. O nedenle potanın üst kısmındaki alüminyum konsantrasyonu sizin beklentinizden daha yüksek bir seviyeye ulaşıyor olabilir. Eğer döküm hatlarında pota başındaki kalıplarda bu hatanın daha sık ortaya çıktığını görüyorsanız, potanın üst kısmında aşıdan gelen elementlerin birikmesi nedeniyle bu problemi görüyor olabileceğinizi aklınızda tutmanızda fayda olabilir.

Kaynaklar ve ek bilgiler

International atlas of casting defects. American Foundrymen´s Society, Inc. Des Plaines (1999).
Factors influencing the formation of pinholes in gray and ductile iron. S.F. Carter, W.J. Evans, J.C. Harkness, J.F. Wallace. AFS Transactions. Vol. 87 (1979) 245.
Influence of aluminium on the formation of pinholes in cast irons. T. Elbel, J. Hampl, R. Vladik, R. Koukal. Archieves of Foundry Engineering. Vol. 8 (2008) 27.
A new theory for aluminium-induced gas defects in iron castings and potential solutions. S. Katz. AFS Transactions. Vol. 114. (2006) 775.
Role of residual aluminium in ductile iron solidification. I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, D. White. AFS Transactions. Vol. 115 (2007) 07.
The formation of pinholes by reaction between lamellar graphite cast iron and green sand. M. Hecht, V. Castelhano. Fonderie-Fondeur d´aujourd´hui. Part I, No. 251, (2006) 12. Part II. No. 256 (2006) 13. Part III, No. 257. (2006) 10.

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.)