Küresel grafitli dökme demirde grafit nasıl küreselleşiyor?

Küresel grafitli dökme demir parça dökerken, sıvı dökme demiri magnezyumla bir işlemden geçirerek grafit parçacıklarının küreselleşmesini sağlıyoruz. Durum böyle olunca, ister istemez, sanki normal koşullar altında oluşması gereken yapı lamel grafitli (gri) dökme demirmiş, grafitlerin küreselleşmesi için özel bir işlem gerekiyormuş gibi bir algı ortaya çıkabiliyor.

Konuyla fazla aşinalığı olmayanlar belki şaşıracaklar, ama durum aslında bunun tam tersi. Yani, eğer yüksek saflıkta demiri saf karbonla alaşımlayıp katılaştırırsak, ortaya küresel grafitli dökme demirin çıktığını görüyoruz. Bu durumu, teknik literatürde yayınlanan birçok makale de sizler de görebilirsiniz.

O zaman dökümhane koşullarında bir dökme demir alaşımı hazırlayıp döktüğümüzde, neden lamel grafitli (gri) dökme demirle karşılaşıyoruz diye soracak olursanız, bunun nedeni sıvı alaşımda kükürt ve oksijen bulunması. Diğer bir deyişle, sıvı dökme demir içinde bulunan oksjen ve kükürt nedeniyle grafitin küresel yapıda değil, lamel yapıda ayrıştığını görüyoruz. Zaten küreselleştirme için uyguladığımız Mg işlemini de, sıvıdaki oksijen ve kükürt miktarlarını belli bir seviyenin altına düşürmek için yapıyoruz.

Merak edenler için, konunun biraz daha ayrıntısına girelim.

Eğer çok temiz bir sıvı dökme demir içinde grafit çekirdeklenirse, bu grafit çekirdeği birazcık büyür büyümez, çevresinde hemen bir östenit kılıfı oluştuğunu görüyoruz. Bu durumu pişmiş bir yumurta gibi gözünüzde canlandırabilirsiniz: yumurtanın sarısını grafit küresi, yumurtanın beyazının ise grafiti çevreleyen östenit kılıfı gibi düşünebilirsiniz (aşağıda soldaki resim). Grafit küresi daha ufacıkken çevresinde böyle bir kılıf oluşunca, grafitin büyüyebilmesi için karbon atomlarının ister istemez bu kılıf içinden geçerek grafite ulaşmaları gerekiyor. Bu da nispeten yavaş bir süreç olacağı için, grafit kürelerinin büyüme hızının lamel grafite kıyasla çok daha düşük olduğunu gözlemliyoruz. Yavaş büyümenin sonucu olarak, küresel grafitli dökme demir üretiminde karşılaştığımız aşırı soğuma değerlerinin de yüksek olduğunu görüyoruz. Grafit ve östenit fazının ayrı büyüdüğü bu ötektik büyüme türüne, ayrık büyüme (divorced growth) adını veriyoruz.

Grafitin bu östenit kılıfı içinden çıkıp da, ucunu sıvıyla temas ettirebilmesi için, sıvının yüzey geriliminin azalması gerekiyor. Bu da, dökme demirde yüzey aktif element olarak bilinen iki elementin, yani oksijen ve kükürtün varlığıyla mümkün olabiliyor. Sıvı dökme demir içinde bir miktar kükürt ve / veya oksijen bulunduğunda sıvının yüzey gerilimi azaldığı için, çekirdeklenen grafitin uçları kendini çevreleyen östenit kılıfının dışına çıkabiliyor (yukarıda sağda gösteriliyor). Durum böyle olunca, artık grafitin büyümesi için karbon atomlarının östenit kılıf içinden geçerek grafite ulaşmalarına gerek kalmıyor: Karbon atomları direkt olarak sıvıyla temas halinde olan grafitin ucuna eklenerek, lamel adı da verilen yapraksı grafitin ortaya çıkmasını sağlıyorlar. Grafitin östenit fazıyla birlikte büyüdüğü bu büyüme türüne, ortak büyüme (cooperative growth) adını veriyoruz.

Bir dökme demirde grafitin yapraksı yapıda mı, yoksa küresel yapıda mı ortaya çıkacağı, yukarıda tarif ettiğimiz ayrık ve ortak büyüme türlerinden hangisinin baskın olduğu tarafından belirleniyor. Ayrık büyüme için sıvı içindeki kükürt ve oksijen değerlerinin düşük olması gerektiğini yukarıda söylemiştik. Sayısal değerler vermek zor olsa da, ayrık büyümeyi tetikleyebilmek için sıvıdaki kükürt oranının yaklaşık %0,006’nın altında olması gerektiğini, teknik literatürde sunulan sonuçlara bakarak yaklaşık bir değer olarak söyleyebiliriz. Oksijen ise bu şekilde tarif edilmesi daha zor bir element. Fakat genel bir fikir vermesi açısından, yine teknik literatüre verilen sonuçlardan yola çıkarak 1420°C’de sıvıdaki oksijen aktivitesinin 0,1 ppm mertebesinde olması gerektiğini söyleyebiliriz. (Küresel grafit oluşması için gereken oksijen aktivitesinin parça kalınlığına göre değişeceğini parantez içinde belirtelim.)

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.)