Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirin (ADI) mikroyapısı hakkında

Östemperlenmiş dökme demirler Türkiye’de henüz yeterince ses getirmiş bir malzeme olmasa da, teknik literatürde birçok makalede demir-karbon metalurjisinde son yıllarda göze çarpan en önemli gelişmelerden bir tanesi olarak değerlendiriliyorlar [1, 2]. Dikkatli okuyucularımız hatırlayacaklardır: Dökümhane Akademi’de daha önce bu önemli malzemeye yer vermiş ve nasıl üretilebileceğini kaba hatlarıyla tarif etmiştik.

Dökme demirlerde görmeye alıştığımız mekanik özelliklerin çok daha ilerisinde, çeliklerle kıyaslanabilecek düzeyde mekanik özellikler sergileyen bu dökme demir türü, sahip olduğu etkileyici özellikler sayesinde otomotiv, demiryolu, savunma ve ağır sanayi uygulamalarında tercih edilen bir malzeme haline gelmeye başladı. Östemperlenmiş sfero dökme demirlerin sergilediği bu üstün mekanik özelliklerin arkasında, ısıl işlem sonucunda elde edilebilen özel bir mikroyapı yatıyor: Yüksek karbonun kararlı hale getirdiği kalıntı östenit ve ferrit karışımından oluşan bu özel yapıya, metalurji literatüründe kısaca ösferrit (İngilizce: ausferrite) adı veriliyor. Bu özel mikroyapının nasıl elde edilebileceğini hatırlamak isteyen okuyucularımız, daha önce yayımlanan bu yazıdan bilgi alabilirler.

ADI mikroyapısına dair yapılan yaygın bir hata

Çelik konusunda tecrübesi olan okuyucularımızın bildiği gibi, benzer bir ısıl işlem çeliklere de uygulanabiliyor. Elbette işlemde tercih edilen süre ve sıcaklık değerleri arasında farklar görüyoruz ama genel hatlarıyla her iki malzemeye de benzer bir ısıl işlemin uygulanabildiğini söyleyebiliriz. İşlemler her ne kadar benzer olsa da, işlem sonrasında çeliklerde elde edilen yapının dökme demirlerden farklı olduğunu gözlemliyoruz: Isıl işlem sonrasında çeliklerde beynit yapısının, yani ferrit ve sementit (karbür) karışımından oluşan bir yapının ortaya çıktığını gözlemliyoruz. Beynit içinde bulunan ferrit fazı çok yoğun bir şekilde dislokasyon içerdiği için, bu karışım içinde bulunan ferrit normale kıyasla daha sert bir yapı sergiliyor.

Zaman zaman östemperlenmiş dökme demirlerden (ADI) bahseden bazı kaynaklarda, bu malzemenin mikroyapısında da beynit bulunduğuna dair bazı hatalı ifadelerin geçtiğine tanık olabiliyoruz. Bu hata muhtemelen çelik ısıl işlemine aşina olan kişilerin, benzer bir yapının dökme demirlerde de oluşacağı beklentisine dayanıyor olabilir. Fakat östemperlenmiş dökme demirlerin (ADI) mikroyapısında gördüğümüz karışımın beynit değil, yukarıda da belirttiğimiz gibi ösferrit (östenit + ferrit) yapısı olduğunu aklımızda tutmamızda fayda var.

Oluşabilecek bazı kafa karışıklıklarını gidermek için bir noktayı daha açıklığa kavuşturmamız iyi olabilir: Benzer bir ısıl işlem sonucunda çeliklerde beynit (ferrit + sementit) yapısının elde edilebileceğini yukarıda belirtmiştik. Bu karışım içinde bulunan sementit fazının oluşmasını engelleyen ve böylece östenitte bulunan karbon miktarını arttırarak oda sıcaklığında kararlı hale gelmesini sağlayan bazı elementler bulunuyor: Örneğin, silisyum gibi. TRIP çelikleri olarak bilinen bu çeliklerin mikroyapılarında da ferrit ve bir miktar kalıntı östenit görebiliyoruz. Yani bu çeliklerin mikroyapısı, östemperlenmiş dökme demirlerdeki matris yapısını andırıyorlar. Fakat her iki mikroyapı arasında bazı farklılıklar da görüyoruz: Örneğin östemperlenmiş sfero dökme demirlerin yapısında oda sıcaklığında daha fazla miktarda östenit bulunuyor. Aynı zamanda östemperlenmiş sfero dökme demirdeki kalıntı östenit fazı içinde bulunan karbon miktarının, çeliğe kıyasla daha fazla olduğunu da gözlemliyoruz.

Fakat burada önemli olan ve bütün bu anlatılanlardan aklımızda kalması gereken önemli nokta şu: İki yapı arasında böyle bir benzerlik var diye, ADI olarak da bilinen östemperlenmiş sfero dökme demirlerde beynitik bir mikroyapı olduğu şeklinde bir hatalı izlenime kapılmıyor olmamız gerekiyor.

Sonuç

Yukarıdaki grafiklerde de görülebileceği üzere, östemperlenmiş sfero dökme demirler hem akma dayanımları açısından hem de sundukları fiyat avantajı açısından sanayide yaygın kullanılan birçok mühendislik malzemesine kıyasla ciddi avantajlar sunuyorlar. Bu avantalarına ek olarak bu malzemelerin aynı zamanda yüksek bir sünekliğe ve iyi bir aşınma direncine sahip olduklarını da görüyoruz. Son bir kez daha vurgulamak gerekirse, bu etkileyici özelliklerin arkasında bazı kaynaklarda hatalı bir şekilde belirtildiği gibi beynit yapısı değil, dökme demirlere mahsus olan ösferrit yapısı yer alıyor. Bu yapıyı elde etmek için uygulanması gereken ısıl işlem parametreleri de, çeliklere uygulanan işleme kıyasla farklılıklar içeriyor. O nedenle Kovacs’ın da 1990 senesinde yayımladığı makalesinde belirttiği gibi, östemperlenmiş sfero dökme demirleri özel bir çelik türü olarak değil, yeni ve farklı yaklaşılması gereken bir dökme demir türü olarak ele almamız gerekiyor.

Kaynaklar ve ek bilgiler

Low alloy steel versus ADI – differences and similarities. A. Krzynska, M. Kaczorowski. Archives of Foundry Engineering. Vol. 9 (2009) 151.
The effects of metallurgical process variables on the properties of austempered ductile iron. P.A. Blackmore, R.A. Harding. First International Conference on Austempered Ductile Iron. ASM, Materials Park, OH (1984) 117.
Designing with austempered ductile iron (ADI). J.R. Keough, K.L. Hayrynen, G.L. Pioszak. AFS Proceedings (2010) Paper 10-129.
Austempered ductile iron: Fact and fiction. B.V. Kovacs. Modern Casting (Mart 1990) 38.

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.)