Küresel grafitli dökme demirde küresellik derecesi

Küresel grafit parçacıkları farklı türde biçimsel bozukluklar sergileyebiliyorlar: Küresel grafitlerin zaman zaman bodurlaştıklarını (chunky graphite), bazen iğnemsileşebildiklerini (spiky graphite) ve hatta patlayabildiklerini (exploded graphite) anlatan yazıları Dökümhane Akademinin arşivlerinde bulabilirsiniz.

Bu yazıda ele alacağımız durum biraz daha farklı. Bodur (chunky) ya da iğnemsi (spiky) grafitte olduğu gibi morfolojinin tümden değişmesinden ziyade, bu yazıda küreselliğin azalmasının arkasında yatan etkenler üzerinde duracağız.

Grafit kürelerinin büyüme süreci

Küreselliğin neden azaldığı sorusuna geçmeden önce, grafit kürelerinin büyüme sürecine dair birkaç noktayı tekrar hatırlamamızda fayda olabilir. Daha önce de bahsetmiştik: Grafit küreleri sıvı içinde çekirdeklenip büyümeye başladıklarında, grafitin çevresinde hemen bir östenit kılıfı oluşuyor. Bu durumu haşlanmış bir yumurta düşünerek gözünüzde canlandırabilirsiniz: Grafit küresini yumurtanın sarısı olarak düşünürseniz, bu küreyi çevreleyen yumurtanın beyazını da östenit kılıfı olarak kabul edebilirsiniz.

Östenit fazı grafit parçacıklarını bir defa çevreledikten sonra, grafitin büyümesi için sıvıdan gelen karbon atomlarının daima bu kılıf içinden difüzyonla geçerek grafit kürelerine ulaşmaları gerekiyor. Zaten bu nedenle katılaşmış numuneyi incelediğimiz zaman, grafit küreleri çevresinde sadece ferrit olduğunu görüyoruz (yukarıdaki resim). Çünkü grafit küreleri, kendilerini çevreleyen matristeki karbonu bir anlamda sömürerek tüketiyorlar.

Östenit kılıfı grafit kürelerini nasıl sarmalıyor?

Östenit kılıfının grafit kürelerini nasıl sarmaladığını basitçe yandaki resim üzerinde inceleyebilirsiniz. Her şey ilk olarak grafit küresinin çekirdeklenmesiyle başlıyor (I). Bu ilk küre oluştuğunda, kürenin çevresindeki karbon seviyesinde bir düşüş gerçekleşiyor: Çünkü bu atomlar bir araya gelerek grafit küresini ortaya çıkartıyorlar (II). Ardından, karbonun azaldığı bu bölgede, östenitin rahatça çekirdeklenmeye başladığını görüyoruz (III). Oluşan bu östenit kristalleri dendrit yapısında büyüyor (IV) ve sonuç olarak grafit küresinin çevresini tamamen sarıyorlar (V).

Teknik literatürde verilen bilgilere göre, bu östenit kılıfı ilk oluştuğunda grafit küreleri yaklaşık 10 – 15 mikron çapında bulunuyorlar. Bu parçacıkların katılaşma sonunda 50 – 100 mikron gibi boyutlara eriştiği düşünülürse, parçacıkların büyüme sürecinin ciddi bir kısmında östenitle sarılı olduklarını anlayabiliriz.

Yukarıda da bahsettiğimiz gibi sıvıda bulunan karbon atomları, bu kılıfın içinden difüzyonla geçerek grafit parçacıklarına ulaşıyorlar. Difüzyon nispeten yavaş gerçekleşen bir süreç olduğu için, sıvıyla direkt temas halinde bulunan lamel (yapraksı) grafite kıyasla bu büyüme süreci oldukça yavaş bir şekilde ilerliyor. Fakat grafitin bir kısmı olur da bir şekilde sıvıyla temasını sürdürse, karbon atomları direkt olarak eklenebildikleri için, bu kısımda hızlı bir büyüme gerçekleşiyor. Bu son cümle de, zaten küreselliğin neden azaldığı sorusunun ilk ipucunu bize veriyor.

Küreselliği belirleyen etken nedir?

Yukarıda anlatılanlardan da anlaşılabileceği üzere, grafit parçalarının katılaşma sonunda sergileyeceği yapı, bahsi geçen östenit kılıfının nasıl oluştuğuyla ilgili bir durum. Alttaki resimde, gerçekleşmesi muhtemel senaryolar basitçe gösteriliyor.

• Hızlı kılıf oluşumu: Östenit kılıfı hızlıca oluşup grafit küresini hemen sararsa, o zaman grafitin sıvıyla teması kesileceği için küreselliğin korunduğunu görüyoruz.
• Yavaş kılıf oluşumu: Östenit kılıfı aşama aşama oluştuğu için, grafitin sıvıyla temas eden kısımları daha hızlı büyüyor. Sonuç olarak ortaya küreselliği daha düşük bir parçacık çıkıyor.
• Kılıf oluşmuyor: Östenit fazı hiçbir aşamada tam olarak bir kılıf gibi grafit parçacığını sarmıyorsa, östenitin olduğu kısımlar yavaş, sıvıyla temas halinde olan kısımlar ise daha hızlı büyüyor. Sonuç olarak ortaya küresellikten iyice uzaklaşmış bir grafit yapısı çıkıyor.

Sonuç

Sonuç olarak, küreselliğin aslında östenit kılıfının oluşma hızıyla ilgili bir durum olduğunu bu anlatılanlardan anlayabiliyoruz. Peki, bu bilgileri pratik uygulamada nasıl kullanabiliriz?

Aslında oldukça basit: Östenit kılıfının oluşma hızı parçanın soğuma hızı, aşılama ve bazı kritik elementlerin varlığından etkileniyor. Soğuma hızının yüksek olması ve sıvının etkin bir şekilde aşılanmış olması, östenit kılıfının daha hızlı oluşmasını sağlıyor. Bu da küreselliğin korunabilmesini sağlıyor.

Alaşımda bulunan bazı elementler ise, bu kılıfın oluşma hızını düşürerek, grafit parçacıklarında biçimsel bozulmalara yol açıyor. Örnek vermek gerekirse Bi, Sb, Pb, Sn ve Al gibi elementlerin, grafitin biçimsel özelliklerini olumsuz bir şekilde etkilediğini ve küreselliği düşürdüklerini söyleyebiliriz.

---

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.)