Sferoda alaşım elementlerinin etkileri

Bu yazıda küresel grafitli (sfero) dökme demirlerin özelliklerini etkileyen başlıca elementler üzerinde duracağız. Fakat öncesinde şunu da söylemek lazım ki, bu elementlerin ayrıntılı etkilerini tek bir yazıda ele almamız pek kolay değil. Çünkü tek bir elementin bile başlı başına bir tez konusu olarak ele alındığını görebiliyoruz. O nedenle bu yazıda tüm elementleri teker teker incelemek yerine, genel bir değerlendirme yapmakla yetineceğiz. Lafı fazla uzatmada başlayalım.

Elementlere geçmeden önce ilk olarak şunu söylememiz lazım: Lamel (gri) ve küresel (sfero) grafitli dökme demirlerde grafitin şeklinin farklı olması, alaşım elementlerinin etkilerinde de bazı farklılıkların ortaya çıkmasına yol açabiliyor. Bir örnek verelim: Mesela küresel grafitli dökme demirde ferritik bir yapı elde etmenin, benzer kompozisyona sahip bir gri dökme demire kıyasla daha kolay olduğunu biliyoruz. Bunun temel nedeni, gerçekten de grafitin küresel bir şekle sahip olması: Küresel grafit parçacıklarını saran östenit kılıfı, sıvı ve grafit temasını tamamen kestiği için, grafit ancak çevresini saran östenit içindeki karbonu emerek büyüyebiliyor. Bunun doğal sonucu olarak, perlitik dökme demirlerde bile grafit kürelerinin çevresinde ince bir ferrit kılıfı oluştuğunu gözlemliyoruz.

Alaşım elementlerinin etkileri

Dökme demirdeki başlıca alaşım elementleri arasında, dikkate almamız gereken en önemli alaşım elementi karbon (C): Grafitin temel taşı olan karbonun alaşımda yüksek oranda bulunması, sıvının akışkanlığını, dolayısıyla da malzemenin dökülebilirliğini olumlu yönde etkiliyor. Yüksek karbon, doğru aşılama pratiği ile birleştiği zaman, yapıda bulunan küre sayısının artmasına da yol açıyor. Küre sayısının artması bir yandan karbür oluşumunu engellerken, diğer yandan matris içindeki karbonu tüketerek perlit miktarını azaltıyor, ferrit oranını ise arttırıyor.

Benzer şekilde ferrit oluşumuna yol açan bir diğer temel alaşım elementi de silisyum (Si). Silisyum, grafit yapıcı özelliği sayesinde grafitin ayrışmasına destek veriyor ve ötektik katılaşma sırasında gözlenen aşırı soğuma (ΔT) miktarını düşürüyor. Grafit oluşumunu desteklediği için, matristeki karbon miktarının azalmasını ve dolayısıyla da ferritik bir yapı elde edilmesini sağlıyor. Bu ferrit yapıcı etkisi nedeniyle EN-GJS-600-10 gibi yüksek miktarda Si içeren özel sfero alaşımlarında tamamen ferritik bir yapı oluştuğunu görüyoruz.

Eğer yapıda perlit oluşmasını istiyorsak, o zaman dikkate almamız gereken elementlerin başında bakır (Cu) geliyor. Genellikle %1 oranında bakır eklenmesi, küresel grafitli dökme demirin tamamıyla perlitik bir yapı sergilemesi için yeterli geliyor. Bu tutarlı etkisi nedeniyle perlitik yapı elde etmek için dökümhanelerde genellikle bakırın tercih edildiğini görüyoruz. Benzer bir amaçla kullanılabilen bir diğer element ise kalay (Sn). Kalay, bakıra kıyasla çok daha kuvvetli bir perlit yapıcı etkiye sahip. O nedenle çok daha düşük oranlarda kullanılması gerekiyor. Genellikle %0,1 – %0,15 oranında eklenen kalay, yapıyı tamamen perlite dönüştürmek için yeterli geliyor. Fakat kalayla ilgili olarak dikkat edilmesi gereken bir nokta var: Bu elementin gereğinden fazla kullanılması, lamelleşmeye yol açabiliyor. Çok düşük miktarda bile ciddi etkiler ortaya çıkarması nedeniyle, kalay miktarının mutlaka hassas bir şekilde kontrol edilebiliyor olması gerekiyor. Kalayın bu zorlayıcı yönleri nedeniyle, dökümhanelerin perlit oluşturmak için genellikle bakırı tercih ettiklerini görüyoruz.

Nikel (Ni), östenit yapıcı bir element olması nedeniyle genellikle östenitik dökme demirlerin üretiminde kullanılıyor. Her ne kadar perlit yapıcı bir element olarak değerlendirilmese de, daha düşük oranlarda kullanıldığında perlit oluşumunu destekliyor ve perlit yapısının incelmesini sağlıyor. Böylece matris yapısının tokluğunu arttırdığı gibi, parçanın farklı kesitleri arasında bulunan sertlik farklarının giderilmesini de sağlayabiliyor.

Mangan (Mn), perlitik yapı oluşumunu destekleyen elementlerden bir diğeri. Fakat yapıda karbür oluşması durumunda, bu karbürlerin yapısına da eklenebiliyor. Benzer bir etkiye sahip bir diğer element ise molibden (Mo). Perlit oluşumunu destekleyen molibdeni, yüksek segregasyon eğilimi nedeniyle çoğunlukla düşük oranlarda ve bakır ve nikelle birlikte ekliyoruz. Yüksek oranda molibden eklenen alaşımlarda, tane arası bölgelerde karbür oluştuğunu görebiliyoruz.

Bu segregasyon eğilimi ve karbür oluşma meselesini biraz daha açmamızda fayda olabilir. Aşağıdaki grafik üzerinde çeşitli alaşım elementlerinin nasıl bir segregasyon (birikme) eğilimi sergilediklerini görebilirsiniz. Dikkat ederseniz hem mangan, hem de molibden, grafit küresinden uzaklaştıkça artan bir birikme eğilimi gösteriyorlar. İşte bu eğilimleri nedeniyle tane aralarında birikip karbür oluşumuna yol açabiliyorlar. Bu segregasyon konusuna birazdan tekrar döneceğiz.

Karbür yapıcı elementler dediğimiz zaman, muhtemelen çoğu kişinin aklına ilk olarak krom (Cr) geliyordur. Oldukça kuvvetli bir karbür yapıcı olan krom, karbür (çil) oluşumunu destekleyerek malzemenin hem dayanımının, hem sünekliğinin, hem de işlenebilirliğinin azalmasına yol açıyor. Vanadyumu da (V) benzer şekilde karbür oluşumunu destekleyen bir element olarak gösterebiliriz. Titanyum da (Ti) bu kapsamda ele almamız gereken bir diğer karbür yapıcı element. Fakat titanyumu düşük miktarlarda kullandığımız zaman, küresel grafit parçacıklarını vermiküler yapıya dönüştürebiliyoruz. Bu özelliği nedeniyle titanyumun özellikle ince kesitli vermiküler döküm parçalarda kullanıldığını görebilirsiniz.

Küresel grafitli dökme demir hakkında yazarken, magnezyumdan (Mg) bahsetmemek olmaz elbette. Küreselleştirme amacıyla kullanılan en yaygın element olan magnezyum, küreselleştirme işlemi sonrasında işlemin verimi ve alaşımda bulunan kükürt miktarına bağlı olarak yapıda %0,035 – %0,055 civarında kalıyor. Türkiye’de her ne kadar pek örneği görülmese de, küreselleştirme amacıyla seryum (Ce), tellür (Te) ve itriyum (Y) elementleri de kullanılabiliyor. Magnezyum sıvıdaki oksijen ve kükürtü bağladığı için, gereğinden fazla kullanılması durumunda aşının etkinliğini düşürüyor. Çünkü aşının çalışabilmesi için, sıvı içinde mutlaka belli bir miktar kükürt ve oksijen bulunması gerekiyor. Oksijen ve kükürtün düşük olması sıvının yüzey gerilimini, dolayısıyla da akmazlığını (viskozite) arttırdığı için, yüksek oranda magnezyum kullanılması mikro-çekinti gözeneklerinin oluşumunu tetikleyebiliyor.

Alaşım elementlerinin segregasyonu

Yukarıdaki paragraflarda, karbür yapıcı bu elementlerin segregasyon eğilimi hakkında birkaç cümle söylemiştik. Farklı elementlerin segregasyon eğilimlerinin kıyaslaması, aşağıdaki çizelge üzerinde ayrıntılı olarak sunuluyor.

Karbür yapıcı elementlerin yüksek bir segregasyon eğilimi gösteriyor olması, her ne kadar toplam alaşım içindeki miktarları düşük olsa da, belli konumlarda birikip karbür oluşumunu tetikleyebilecekleri anlamına geliyor. Bu yüksek segregasyon eğilimin en bilindik olumsuz sonucu ise ters çil: İnce kesitler yerine parçanın orta kısımlarında meydana gelen karbür oluşumu, birikme eğilimi gösteren bu karbür yapıcı elementler nedeniyle ortaya çıkıyor.

Kaynaklar ve ek bilgiler

  1. Basic ductile iron alloying. J.D. Mullins. Sorelmetal (2006).
  2. Development of a ferritic ductile cast iron for increased life in exhaust applications. M. Ekström. KTH Royal Institute of Technology (2013).
  3. Microsegregation in nodular iron with carbides. S. Pietrowski, G. Gumienny. Archieves of Foundry Engineering. Vol. 12 (2012) 127.

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.)