Kalan Mg ile küreselleştirme işleminin verimini değerlendirmek neden doğru değil?

Küresel grafitli dökme demir (sfero) üreten tüm dökümcülerin gayet aşina olduğu üzere, grafit parçacıklarını küreselleştirmek için sıvı dökme demiri magnezyum (Mg) ile bir işlemden geçiriyoruz. Bu işlem sırasında ne kadar Mg eklediğimiz oldukça önemli: Gereğinden fazla miktarda Mg eklenmesi çekinti, ince kesitlerde karbür oluşumu gibi sorunları tetiklerken, Mg’nin yetersiz kalması durumunda ise kürselleşmenin düşük kaldığını gözlemliyoruz.

Dökümhanelerde uygulanan genel pratiğe baktığımızda, magnezyumun ferroalyaj formunda ve yaklaşık %1,1 – %1,4 civarında eklendiğini görüyoruz. Küreselleştirme işlemi sonrasında yapılan spektrometre analizinde, dökümhanelerin genellikle %0,035 – %0,050 civarında bir kalan Mg ile işlemi sonlandırdıklarını ve döküme gittiklerini gözlemliyoruz. Birçok dökümhane küreselleştirme işlemi sonrasında ölçülen bu “kalan Mg” değerini işlemin verimini değerlendirmek için bir referans olarak kabul etse de, aslında bu yaklaşım dökümhaneleri yanlış değerlendirmeler yapmaya itebiliyor. Nedenine birlikte bakalım.

Mg işlemini neden yapıyoruz?

Her şeyden önce bu magnezyum işlemini neden yaptığımıza dair kısa bir hatırlatma yapalım. Dökme demirde yüzey aktif element olarak tarif ettiğimiz ve sıvı dökme demir ile grafit arasındaki arayüzeyin enerjisini azaltan iki element bulunuyor: Oksijen ve kükürt. Bu iki elementin yüksek miktarda bulunması, sıvının yüzey gerilimini azaltarak grafitin lamel yapısında büyümesine yol açıyor. Eğer bu elementlerin miktarını azaltabilirsek, o zaman sıvının yüzey gerilimi artıyor ve küre yapısına sahip grafit parçacıklarının ortaya çıktığını gözlemliyoruz. Bu kısa tariften de anlaşılabileceği üzere, aslında bu iki elementin miktarını azaltabilmek için sıvı dökme demiri Mg ile işlemden geçiriyoruz. Çünkü magnezyum hem oksijenle birleşip MgO, hem de kükürtle birleşip MgS oluşturabiliyor. Yani hem oksijen giderme, hem de kükürt giderme görevi görebiliyor.

Her ne kadar bazı kaynaklar küreselleştirme işlemi için esas önemli olan elementin kükürt olduğunu iddia etse de, bu doğru bir bakış açısı değil. Bunun birinci ispatı, metalürji kökenli okuyucularımızın bildiği üzere, Ellingham diyagramları üzerinde görülebilir: MgO’nun oluşum enerjisi MgS’den daha düşük olduğu için, eklenen Mg ilk olarak deoksidasyon yaparak MgO oluşmasını sağlıyor. Daha sonra kükürt giderme işlemi devreye giriyor ve MgS oluşmaya başlıyor. Diğer bir deyişle sıvı dökme demirden kükürtün giderilmesi için, öncelikle oksijenin giderilmesi gerekiyor.

Oksijenin önemli olmasının ikinci ispatı ise, yukarıda da belirtildiği gibi, oksijenin yüzey aktif bir element olmasından kaynaklanıyor (yani oksijen, sıvı ve grafit arasındaki arayüzeyin enerjisini modifiye eden bir etki ortaya çıkartıyor). Bu nedenle sıvı içinde çözünmüş durumda bulunan oksijenin küreselleşmeye etkisi olmayacağını iddia edemeyiz.

Kalan Mg bizi neden yanıltıyor?

Şimdi gelelim kalan Mg değerinin neden yanıltıcı bir parametre olduğu konusuna: Magnezyum çok kuvvetli bir oksit giderici olduğu için (ve Ellingham diyagramında oluşum serbest enerjisi en düşük oksitlerden biri olduğu için) ilk olarak sıvıdaki oksitleri indirgemeye başlıyor. Mg işlemi öncesinde sıvı dökme demir içinde sadece 1 ppm (milyonda bir) civarında oksijen olduğunu teknik literatüredeki araştırmalardan biliyoruz. Sıvıdaki oksijen miktarı milyonda bir olmasına rağmen, sıvı içinde çok daha yüksek miktarda Mg ekliyor olmamızın nedeni, sıvıda hâlihazırda bulunan bu oksitlerin Mg ile tepkimeye girerek Mg’nin baştan tükenmesine yol açması. Zaten sıvı dökme demir Mg ile temas ettiğinde kuvvetli bir reaksiyon gerçekleşmesinin nedeni de, sıvıda bulunan bu oksitlerin indirgeniyor olması: Sonuçta sadece milyonda bir mertebesinde bulunan oksijenin bu kadar kuvvetli bir tepkime yaratmasını bekleyemeyiz.

Sıvı dökme demir Mg ile tepkimeye girince, sıvıda çözünen Mg’e ek olarak MgO, MgS, MgN gibi bileşikler de ortaya çıkıyor. Büyük olan bileşik parçacıkları cürufa giderken, daha küçük olanlar sıvı içinde kalabiliyor. Siz böyle bir sıvı içinden spektrometre numunesi aldığınız zaman okuduğunuz Mg değeri sadece sıvıda çözünen Mg’yi değil, aynı zamanda MgO, MgS ve MgN gibi bileşikleri de temsil ediyor. Tepkimenin verimini değerlendirmenize yardımcı olacak parametre sıvıdaki çözünmüş oksijen ile tepkimeye giren çözünmüş Mg olduğu için, böyle toplu bir değerlendirme yapan spektrometre analizi maalesef ihtiyaç duyulan bilgiyi sağlamakta yetersiz kalıyor.

Mg işleminin verimini nasıl değerlendirmek gerekir?

Mg işleminin verimini doğru bir şekilde değerlendirebilmek için, sıvı dökme demirdeki oksijen aktivitesini ölçebilen probların kullanılması gerekiyor. Bu problarla yapılan ölçümlerde, Mg işlemi sonrasında sıvı dökme demir içindeki oksijen aktivitesinin 70-80 ppb civarına düşmesi gerektiğini biliyoruz. Bir örnek vermek adına, döküm sonrasında yaptığınız spektrometre analizinde kalan Mg değerini %0,040 olarak tespit ettiniz diyelim. Bu değer dikkat ederseniz 400 ppm’e, yani 400.000 ppb’ye denk geliyor. Yani siz bir milyar atom içinde 70-80 tane oksijen atomuna karşılık 400.000 Mg atomu görüyorsunuz. Örneğin oksijen aktivitesi 80 ppb değil de 40 ppb gibi düşük bir değere düşmüş olsa, spektrometrede gördüğünüz kalan Mg miktarı da 40 atomluk bir düşüş yapıp 399.960 ppb değerine inecek (çünkü bir oksijen atomu bir Mg atomuyla birleşerek MgO oluşturuyor). Bu kadar ufak bir değişimi spektrometre sonuçları üzerinde göremezsiniz. Mg miktarı 40 ppb azalmış olsa da, sizin spektrometre analizi sonuçlarında gördüğünüz değer yine %0,040 olacak. Yani spektrometre ile yaptığınız ölçüm, oksjieni gereğinden fazla oranda gidermiş olduğunuzu anlamanızı sağlayamayacak.

Yukarıda sayılan bu sebeplerle, çoğu zaman dökümhanelerin aynı ferroalyajı aynı miktarda kullansak da, sfero üretiminde bazen sorun yaşıyoruz diye şikayet ettiklerini görüyoruz. Sadece toplam bir değerlendirme imkanı sunan spektrometre analizi yerine, sıvıdaki oksijen aktivitesini milyarda bir hassasiyetle ölçmeye imkan sunan problar kullanıldığında, Mg işleminin verimini doğru bir şekilde değerlendirmek ve süreçler arasında neden farklılıklar oluştuğunu anlamak 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.)