Grafitin çekirdeklenme hızını kontrol ederek çekintiyi nasıl engellersiniz?

Dökme demir katılaşmasında uygun koşullar sağlandığında, grafitin çekirdeklenerek ayrı bir faz halinde çökelebildiğini biliyoruz. Hem lamel, hem de küresel grafitli dökme demirde gerçekleşen bu çekirdeklenme sürecinin hızı ile katılaşmış parçada gördüğümüz mikro çekintiler arasında direkt bir ilişki bulunuyor. Bu yazıda, bu ilişki üzerinde duracağız.

İlk olarak, grafitin çekirdeklenme hızı ifadesiyle ne kastettiğimizi açıklayarak başlayalım. Dökme demir yapısında ortaya çıkan grafit, ister küresel olsun, ister lamel ya da vermiküler, katılaşma sırasında birden bire ortaya çıkmıyor. Bu grafit parçacıkları ilk olarak sıvı içinde birçok noktada birden çekirdeklenmeye başlıyorlar. Ardından, çekirdeklenen grafit parçacıklarının büyüdüklerini görüyoruz. Bu noktada şunu doğru anladığımızdan emin olmamız lazım: Çekirdeklenme, sıvı içinde birçok noktada başlayabiliyor, ama tabii ki bu çekirdeklerin hepsi aynı anda oluşmuyor. Kimi grafit parçacıkları ötektik dönüşümün ilk saniyelerinde çekirdeklenirken, kimi parçacıklar son kalan sıvıda çekirdeklenip, ancak katılaşma sürecinin son faslında ortaya çıkabiliyorlar.

Bu süreci, yağmuru düşünerek kavrayabiliriz. Yağmur damlacıkları, tıpkı dökme demirdeki grafit parçacıklarının sıvı içinde çekirdeklenmesi gibi, bulutların üzerinde çekirdekleniyor. Tabii bu damlacıklar yer çekimi nedeniyle biraz büyüdükten sonra yeryüzüne doğru düşmeye başlıyorlar. Her ne kadar ilk etapta çok farklı süreçlermiş gibi görünseler de, aslında yağmur damlacıklarının yere düşme hızı, yani yağmurun şiddeti, çekirdeklenme sürecinin ne şekilde gerçekleşebileceğini anlamamız açısından bize güzel bir model sunuyor.

Zaman zaman yağmurun birden bire bastırdığını görürüz. Bu durum, çekirdeklenme hızının çok yüksek olduğuna işaret ediyor. Yani kısa bir zaman diliminde birçok damla birden çekirdeklenip, aynı anda yere düşmeye başlıyor. Fakat bazen de, yağmurun yavaş yavaş kuvvetlendiğini, bir süre sabit bir hızda yağdığını, sonrasında ise yavaş yavaş dindiğini görürüz. Bu durumda ise, çekirdeklenme hızının daha yavaş olduğunu ve çekirdeklenmenin uzun bir süre, az çok sabit bir hızda devam ettiğini anlıyoruz.

Bu iki çekirdeklenme örneği, dökme demirlerde de karşımıza çıkıyor. Yani grafit çok hızlı bir şekilde, nispeten kısa bir sürede çekirdeklenebileceği gibi, yavaş yavaş, katılaşma sürecinin son aşamasına kadar sürecek şekilde de çekirdeklenebiliyor. Örnek olarak yandaki resim, bu iki durumun bir kıyaslamasını sunuyor.

Şimdi gelelim çekirdeklenme hızının çekintiyle olan etkisine. Kalıp içinde katılaşan, ötektik altı kompozisyona sahip bir küresel grafitli dökme demir düşünelim. Sıcaklık sıvılaşma sıcaklığı (likidüs) altına düşünce, katılaşma ilk olarak ağacımsı yapı sergileyen östenit dendritlerinin oluşmasıyla başlayacak. Ya da, daha basit bir ifadeyle söylemek istersek, grafite sıra gelmeden önce ilk olarak demirin katılaşmaya başladığını göreceğiz. Bu sürecin devamında, sıcaklık ötektik noktaya gelince de, grafit kürelerinin çekirdeklenip büyümeye başladıklarını göreceğiz.

İşin püf noktası, grafitin büyüme sürecinde saklı: Sıvı içinde büyüyen grafit küreleri, sanki sıvının içinde şişen bir balon gibi, kendilerini çevreleyen sıvıyı itiyorlar. Parça içinde bir yer teşkil edebilmeleri için, yani bir hacim kaplayabilmeleri için, ister istemez kendilerini çevreleyen sıvıyı iteklemek durumundalar. Peki o zaman sormamız gereken soru şu: itilen sıvı nereye gidecek?

Tabii ki tekrar besleyiciye gidecek. Çünkü kalıbın içi zaten dolu, kalıp duvarları da sıvının başka bir tarafa gitmesine müsaade etmiyor. O zaman grafitin şişmesi sonucu itilen sıvı, ister istemez tekrar besleyiciye doğru hareket etmek durumunda. Fakat birincil katılaşma sırasında oluşan östenit dendritleri eğer kalıp ve besleyici arasındaki kanalı tıkamışlarsa ve sıvıda yoğun bir dendrit ağı oluşmuşsa, o zaman durum farklı: Sıvı tekrar besleyiciye gidemez, çünkü yol kapanmış durumda. İşte o zaman, grafit kürelerinin şişerek ittiği sıvı, çekinti olan bölgeleri doldurmak durumunda kalıyor. Çünkü, yoğun dendrit ağı nedeniyle beslemenin zayıf kaldığı bu bölgelerden başka sıvının ilerleyebileceği bir başka yer kalmıyor.

O zaman, mikroçekintiyi engelleyebilmek için, neye ihtiyaç duyduğumuz da açıklığa kavuşmuş oluyor: Biz, katılaşma sürecinin son faslına kadar grafitin çekirdeklenmeye devam etmesini istiyoruz. Çünkü, yukarıda anlatılanlardan da anlaşılabileceği üzere, parça ve besleyici arasındaki bağlantı açıkken çekrideklenen grafit kürelerinin bize pek bir faydası dokunmuyor. Çünkü bu küreler sadece sıvıyı tekrar besleyiciye itmeye yarıyorlar. Fakat parça ve besleyici bağlantısı kesildikten sonra, yani katılaşmanın sonlarına doğru çökelen grafit küreleri, sıvıyı çekinti oluşan bölgelere iterek, çekinti oluşmasını engelliyorlar.

Sonuç olarak çekintisiz bir dökme demir üretmek için, yapıdaki tüm karbonun katılaşmanın ilk aşamalarında hızlıca çökelmesini engellememiz gerekiyor. Çekirdeklenme hızını yavaşlatıp, grafit ayrışmasının katılaşmanın son faslına kadar sürmesini sağlayabildiğimiz zaman, mikroçekinti problemiyle karşılaşmadan, sorunsuz parçalar üretebiliyoruz.

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.)