Sfero dökme demirlerde karbür oluşumu

Bu yazıda sfero dökme demirlerde karbür oluşumu üzerinde duracağız. Karbür parçacıkları sfero dökme demirlerde alıştığımız biçimsel özelliklerin dışında yapılar sergileyerek ortaya çıkabiliyor. Bu nedenle zaman zaman mikroskop altında gördüğümüz yapının ne olduğunu anlamakta zorluk çekebiliyoruz. Sfero dökme demirlerde karbür oluşumunu destekleyebilen birçok farklı mekanizma var gibi görünse de, bu işleyişlere yakından baktığımızda, aslında benzer kökenlere sahip olduklarını fark ediyoruz. Lafı fazla uzatmadan başlayalım ve karbür oluşumunu destekleyen bu farklı işleyişlere yakından bakalım.

Küreselleştirme işleminin etkisi

Küresel grafitli (sfero) dökme demirler üzerine daha önce yayımladığımız yazılarda, küreselleştirme işleminde gereğinden fazla magnezyum kullanılması durumunda karbür oluşumunun teşvik edildiğinden bahsetmiştik. Bu mekanizmanın ardında birkaç farklı neden yatıyor. Her şeyden önce magnezyumun kükürt ve oksijenle olan etkileşimiyle başlamak lazım: Magnezyum sıvı içindeki kükürt ve oksijen seviyelerini aşağıya çektiği için, aşılamanın çalışması için kritik öneme sahip bu iki elementin yokluğu aşılamanın etkinliğini düşürerek, karbür (çil) oluşumunu teşvik edici bir etki yaratıyor. Eğer sıvı içindeki oksijen ve kükürt miktarı çok azalmışsa, grafit oluşumunu destekleyecek çekirdekler oluşamıyor ve grafit yerine yapıda karbür parçacıklarının oluştuğunu görüyoruz.

Bu etkisi nedeniyle magnezyumdan bazı kaynaklarda karbür yapıcı bir element olarak bahsedildiğini siz de görmüş olabilirsiniz. Fakat yukarıdaki paragraftan da anlaşılabileceği üzere, magnezyum aslında direkt olarak karbür oluşumunu teşvik eden bir element değil. Sıvıdaki oksijen ve kükürt seviyelerini aşağıya çektiği için, bu elementlerin yokluğu nedeniyle karbür oluşumunu teşvik eden bir element.

Ters çil

Karbür yapıcı elementlerin etkisi üzerinde ayrıntılı bir şekilde durmamıza pek gerek yok. Çünkü, örneğin krom gibi kuvvetli karbür yapıcı etkiye sahip elementlerin alaşımda bulunması durumunda karbür parçacıklarının oluşacağını hepimiz biliyoruz. Fakat bu noktada “ters çil” adı verilen etkiye dikkat etmemizde fayda olabilir. Ters çil, en hızlı soğuyan ince kesitlerde çıkmasını beklediğiniz karbür parçacıklarının, en yavaş soğuyan kalın kesitlerde ortaya çıkmasına verilen isim. Ardında yatan neden ise, alaşımdaki miktarları çok düşük ve dolayısıyla zararsız görünen karbür yapıcı elementlerin, katılaşma sırasında en son katılaşan konumlarda birikerek konsantrasyonlarını arttırmaları ve bu şekilde karbür oluşumunu teşvik etmeleri. Mikroskop altında plaka yapısındaki görünümüyle kendini belli eden ters çil, özellikle silindir geometriye sahip ve kalın kesitli parçalarda ortaya çıkıyor. Bu ters çil plakalarından kurtulmak için ya karbür yapıcı elementleri mümkün olduğunca azaltmanız, ya da etkili bir aşılamayla ötektik tane boyunu inceltip, bu elementlerin birikebilecekleri alanları daraltmanız gerekiyor.

Grafitin şekli ve büyüme süreci

Küresel grafitli dökme demirde karbür oluşumunu teşvik eden bir diğer mekanizma da grafit parçacıklarının biçimiyle ilgili: Yani küresel olmalarıyla. Küresel geometri, karbür oluşumuna olan yatkınlığı iki şekilde etkiliyor. İlk etki, yüzey alanının dar olmasıyla ilgili. Küre yapısının hacim başına en düşük miktarda yüzey alanına sahip olduğunu biliyoruz. Dolayısıyla katılaşma sırasında sıvıdan difüzyonla gelen karbon atomlarının eklenebileceği yüzey alanı miktarı, örneğin lamel grafit yapısıyla kıyaslandığı zaman, çok daha azalmış oluyor. Bu etki, birazdan ele alacağımız ikinci etkiye kıyasla daha zayıf olsa da, yine de varlığından haberdar olmamızda fayda var.

İkinci etki ise, grafit küresini saran östenit kılıf nedeniyle ortaya çıkıyor. İster sfero dökme demir olsun, ister lamel grafitli (gri) dökme demir, grafit parçacıkları oluşur oluşmaz çevrelerinde bir östenit kılıfının oluştuğunu görüyoruz. (Dökümhane Akademi’de yayımlanan bu yazıda, bu kılıf oluşumu konusu ayrıntılı bir şekilde ele alınmıştı.) Lamel grafitli dökme demirde grafit parçacıklarının ucu kılıfın dışına çıkıp sıvıyla temas ettiği için, karbon atomları çok daha hızlı bir şekilde grafit parçacıklarına eklenebiliyorlar. Bu da, doğal olarak grafit oluşumunun kolaylaştığı anlamına geliyor. Sfero dökme demirlerde ise östenit kılıfı grafit parçacıklarını tam olarak sardığı ve sıvıyla teması tamamen kestiği için, sıvıdan gelen karbon atomlarının grafit parçacıklarına ulaşabilmeleri için mutlaka bu kılıfın içinden difüzyonla ilerlemeleri gerekiyor. Karbon atomlarının sıvıdan direkt eklenmek yerine difüzyona ilerlemesi grafitin büyüme sürecini yavaşlatacağı için, grafit oluşumunun zorlaştığını ve karbür oluşumunun teşvik edildiğini anlayabiliyoruz.

Bu farklı büyüme işleyişleri arasındaki farkı, soğuma eğrilerindeki aşırı soğuma değerleri üzerinde de görebiliriz: Gri dökme demirde grafitin çok daha hızlı büyüyor olması, dökme demirin fazla bir aşırı soğuma yapmasına gerek kalmadan katılaşacağı anlamına geliyor. Sfero dökme demirlerde bu süreç daha yavaş gerçekleştiği için hem aşırı soğumanın arttığını, hem de sfero dökme demirlerin daha yüksek miktarda aşılamaya ihtiyaç duyduklarını gözlemliyoruz.

Kaynaklar ve ek bilgiler

Cast iron microstructure anomalies and their causes. G.M. Goodrich. AFS Transactions. 105 (1997) 669.
Colour metallography of cast iron. Z. Jiyang. China Foundry, Vol. 7 (2010) 470.

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.)