Gri dökme demirde mangan ve kükürtün önemi

Önceki yazılarda, dökme demirlerde aşılamanın performansını etkileyebilecek birçok farklı parametre üzerinde durmuştuk. Bu yazıda, aşının etkinlik gösterebilmesi için dökme demirde bulunması gereken iki kritik element üzerinde biraz daha ayrıntılı olarak duracağız: Kükürt (S) ve mangan (Mn).

Kükürtü tek başına ele aldığımızda, dökme demirin mekanik özelliklerine zararlı bir element olarak değerlendiriyoruz. Eğer sıvı dökme demirde kükürtü dengeleyecek kadar mangan bulunmazsa, kükürtün demir ile düşük erime noktasına sahip FeS bileşiğini oluşturduğunu görüyoruz. Bu bileşik nispeten düşük bir sıcaklıkta eridiği için, döktüğümüz parça yüksek sıcaklıkta çalışmak durumunda kalırsa, bu faz eriyerek dökme demirin yüksek sıcaklıkta gevrekleşmesine yol açabiliyor (İngilizce’de bu duruma hot shortness adı veriliyor). Bu nedenle, FeS bileşiğinin oluşmasını engellemek için, alaşımda kükürtü bağlamaya yetecek oranda Mn bulunmasına özen gösteriyoruz. Çünkü sıvı içinde mangan bulunduğu takdirde, kükürt demir yerine mangan ile bileşik oluşturmayı tercih ediyor: Yani FeS yerine, MnS bileşiği oluşuyor.

Mangan sadece kükürtün zararlı etkilerini ortadan kaldırmak açısından önemli değil: Sıvı dökme demire eklediğimiz aşının etkinlik gösterebilmesi için, sıvıda mutlaka belli bir miktar mangan ve kükürt bulunması gerekiyor. Teknik literatürde yer alan sayısız makalede de görebileceğimiz gibi, gri dökme demir aşılandığında ilk olarak sıvı içinde ufak oksit inklüzyonları oluşuyor. Ardından bu inklüzyonlar üzerinde MnS bileşiği oluşuyor. Grafitin çekirdeklenebilmesini sağlayan faz, işte bu mangan sülfit (MnS) bileşiği. Dolayısıyla, alaşımdaki kükürt ve/veya mangan miktarı belli bir seviyenin altında kalıyorsa, siz aşı miktarını ne kadar arttırırsanız arttırın, istediğiniz gibi bir sonuç almanız mümkün olmuyor. Yani, aşı etkinlik gösteremiyor. Gri dökme demirin aşılanması konusunda daha fazla bilgi isteyen okuyucularımız, bu yazıya göz atabilirler.

Sıvı dökme demirdeki manganın kükürtü dengeleyebilmesi ve zararlı etkilerini ortadan kaldırabilmesi için, kükürtün en az 1,7 katı kadar mangana ihtiyaç duyuyoruz (Mn/S = 1,7). Bu oran, dökme demirde olması gereken en düşük mangan seviyesini gösteriyor. Teknik literatürde yer alan araştırmalara baktığımızda, mangan miktarını bu oranda, yani olabilecek en düşük düzeyde tutmak yerine, daha güvenilir bir şekilde çalışmak adına, bu oranla hesaplanan mangan miktarından %0,30 daha fazla mangan kullanılmasının önerildiğini görüyoruz. Yani, minimum mangan seviyesinin

%Mn = 0,30 + 1,7 x %S

denklemi kullanılarak belirlenmesi gerektiğini anlıyoruz.

Bir örnek verelim: Diyelim ki gri dökme demir alaşımda %0,08 oranında kükürt olduğunu spektrometre analizi ile tayin ettiniz. Bu alaşımda olması gereken mangan miktarının %Mn = 0,30 + 1,7 x 0,08 = 0,436 olması gerekiyor. Eğer alaşımdaki mangan miktarı bu değerden daha düşükse, kükürtün tam anlamıyla dengelenemeyeceğini ve aşılamanın etkinliği açısından sorun yaşayabileceğinizi bu eşitlik sayesinde anlayabiliyoruz.

Yine teknik literatürde yer alan araştırmalara baktığımızda, kükürt miktarı arttıkça tane boyunun inceldiğini, malzemenin çekme dayanımının da arttığını görüyoruz. Bu sonuçlar da aslında yukarıda anlatılanların doğruluğunu gösteriyor: Dökme demirde yeterli miktarda kükürt olduğunda aşının etkinliği de arttığı için, doğal olarak tane boyunun inceldiğini, çekme dayanımının da arttığını gözlemliyoruz.

Fazla kükürtün zararları

Dendritler arası bölgede çökelmiş MnS inklüzyonları. Kaynak: R. Gundlach, M. Meyer, L. Winardi. International Journal of Metalcasting. Vol: 9 (2015) Sayfa: 69-82

Daha yakın zamanda yayımlanan bazı araştırmalarda, yukarıda bahsettiğimiz duruma tezat oluşturacak şekilde, kükürt seviyesi çok arttığı zaman çekme dayanımının düşmeye başladığını görüyoruz. Yani kükürt bir yere kadar dökme demirin çekme dayanımını arttırırken, bir değerden sonra ters etki göstererek malzemeyi zayıflatmaya başlıyor. Bu ters etkinin arkasında, Mn ve S miktarları yüksek olduğunda, MnS bileşiğinin çözünürlük sınırının aşılması ve bu bileşiğin partiküller halinde çökelmeye başlaması yatıyor. MnS bileşiği ötektik katılaşma sırasında partiküller halinde çökelmeye başlamışsa, dökme demirin çekme dayancının düşmeye başladığını görüyoruz.

Bu konuda geçmişte yapılan araştırmalar her ne kadar mangan ve kükürt dengesi için yukarıda verdiğimiz eşitliği önerse de, MnS bileşiğinin çökelmeye başladığı bu çözünürlük sınırını da mutlaka dikkate almak gerekiyor. Literatürde raporlanan değerlere bakılırsa, MnS bileşiğinin partiküller halinde çökelmesi için %Mn x %S = 0,03 sınırının aşılması gerekiyor. Örneğin dökme demirdeki kükürt miktarının %S = 0,065, mangan miktarının ise %Mn = 0,396 olduğunu düşünelim. Bu iki değerin çarpımı (0,065 x 0,3960 = 0,026) yukarıda bahsettiğimiz 0,03 değerinden küçük olduğu için, çekme dayanımını olumsuz etkilemesini beklediğiniz MnS bileşiğinin oluşmayacağını, yani güvenli tarafta olduğumuzu anlıyoruz.

Sonuç olarak tekrar bir derlemek gerekirse, aşının etkinlik gösterebilmesi için hem kükürtün hem de manganın, gri dökme demirde mutlaka belli bir oranda bulunması gerekiyor. Mangan kükürtle birleşerek zararlı FeS bileşiği yerine MnS bileşiğinin oluşumunu sağladığı için, mutlaka alaşımda kükürt dengeleyecek oranda mangan bulunmasına özen göstermek gerekiyor. Fakat bu iki element gereğinden fazla bulunuyorsa, MnS bileşiği partiküller halinde çökelerek dökme demirin zayıflamasına yol açıyor. Bu nedenle standartlar dahilinde bir dökme demir kompozisyonu döküyor olmanıza rağmen çekme dayancı değerlerini tutturmakta zorlanıyorsanız, sorunun kökeninde bu bileşik olabileceğini aklınızda tutmanızda fayda 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.)