Spektrometre ile karbon ölçümü

Dökme demir ve çelikte karbon tayini için sektörde üç farklı yöntemin kullanıldığını görüyoruz: Kuru yakma yöntemi, spektrometre analizi ve termal analiz. Termal analiz konusu ayrı bir başlık altında ele alınacağı için, bu yazıda kuru yakma yöntemi üzerine bir girişin ardından, spektrometre ile karbon ölçümü yaparken dikkat etmemiz gereken noktalar üzerinde duracağız. İlk olarak kuru yakma yöntemiyle başlayalım.

Kuru yakma yöntemi

Adı üzerinde, bu yöntemde karbon analizi için numuneyi yakmamız gerekiyor. Yanmanın kolay olması ve nispeten kısa sürmesi için, yarım gram kadar küçük bir numune parçasını 1150°C’ye ısıtıp saf oksijen atmosferi içinde yakıyoruz. Bu yanma sonucunda, numune içinde bulunan karbon oksitlerek karbondioksit (CO₂) gazına dönüşüyor. Ardından bu gazı bir sulu çözelti ya da katı bir soğurucu içinde topladıktan sonra ağırlık (gravimetry) ya da hacim (volumetry) ölçümüyle miktar tespiti yapabiliyoruz. Son yıllarda karbondioksit gazının optik yöntemlerle de ölçümünü yapabilen bu cihazlar, karbon yanında kükürt miktarını da yüksek bir doğrulukla tespit edebiliyorlar.

Spektrometre analizi

Döküm sanayiinde kullanılan bir diğer yaygın yöntem ise spektrometre analizi, ya da daha doğru tanımıyla optik emisyon spektrometresi (OES). Bu yöntem, karbon ölçümü konusunda yukarıda bahsettiğimiz kuru yakma yöntemi kadar yüksek doğrulukta sonuçlar vermekte zaman zaman zorlansa da, sağladığı farklı avantajlar nedeniyle dökümcüler tarafından tercih ediliyor. Her şeyden önce spektrometre analizinde ufak numuneler çıkarmak için uğraşmanıza gerek kalmıyor: Sıvıdan direkt aldığınız bir numuneyi, yüzeyini zımparayla biraz temizledikten sonra analiz için kullanabiliyorsunuz. Spektrometrenin sağladığı bir diğer önemli avantaj ise, ölçebildiği elementlerin sadece karbon ve kükürt ile sınırlı olmaması: Dökümcüler için büyük önem taşıyan silisyum, mangan, nikel, krom gibi daha birçok elementin miktarı bu yöntemle tayin edilebiliyor.

Spektrometre ile karbon tayini, özellike numunenin içerdiği karbon miktarı yüksek olduğu zaman biraz problemli olabiliyor. Fakat doğru numune alma pratiğiyle, spektrometreden de doğru karbon ölçümleri alabilmeniz mümkün. Nasıl yapmamız gerektiğini anlamak için, ilk olarak spektrometre ile karbonu nasıl ölçüyoruz, ona bakalım.

Spektrometre ile karbon ölçümü

Optik emisyon spektrometrelerinde alev (glow) ya da kıvılcımlı (spark) boşalma yapabilen kaynaklar kullanılabiliyor. Döküm sektöründe hem daha hızlı bir ölçüm imkanı sunması, hem de eser miktarda bulunan elementleri de tayin edebilmesi nedeniyle kıvılcım emisyonunun tercih edildiğini görüyoruz.

Doğru karbon ölçümü için, spektrometre numunesi alırken dikkat edilmesi gereken bazı noktalar var. Alınan numunenin mutlaka ocaktaki sıvıyı mümkün olduğunca temsil edebilmesi gerekiyor. O nedenle kepçe ile numune almadan önce, özellikle orta frekanslı indüksiyon ocaklarında, sıvı yüzeyinin biraz karıştırılması ve yüzeyde biriken elementlerin dağıtılması gerekiyor. Eğer mümkünse, ocaktan direkt numune almaya olanak sağlayan daldırma tipi numune alıcıların kullanılması, genel durumu temsil eden bir numune alınması için fayda sağlayabiliyor. Kepçe ile numune alırken sıvı yüzeyindeki cürufun mutlaka iyice temizlenmesi ve numune içine cüruf kaçmamasına özen gösterilmesi de büyük önem taşıyor.

Karbon ölçümünde neden hata görebiliyoruz?

Çeliğe kıyasla daha yüksek oranda karbon içeren dökme demirlerde karbon ölçümünün sorunlu olabildiğini yukarıda belitmiştik. Bunun ardında yatan temel neden, karbon miktarı arttığı zaman, karbonun ayrışmasına fırsat vermeden numuneyi katılaştırmanın zorlaşıyor olması. Diğer bir deyişle, tamamen beyaz katılaşma elde etmenin zorlaşması.

Numunede grafit ayrışması olduğu zaman, spektrometre ölçümü sırasında numuneyi yakarken, serbest durumda bulunan bu grafit kısmen ya da tamamen buharlaşıyor. Bu nedenle, hızlıca buharlaşan (daha doğrusu süblimleşen) bu karbonu spektrometreler yakalamakta zorlanıyor. Sonuç olarak, örneğin %3,6 oranında karbon içeren bir numunede eğer gri katılaşma ortaya çıkmışsa, spektrometre analizi sonucunda süblimleşme nedeniyle okunan karbon miktarının %3,2 gibi düşük değerlere inebildiğini görebiliyoruz. Yani numunenin doğru bir şekilde soğumamış olması, gerçek karbon değerinin %0,4 kadar altında sonuçlar üretilebilmesini sağlayabiliyor. Bu sonuçlara baktığımız zaman, numunenin hızlı soğumasının doğru karbon ölçümleri açısından ne kadar büyük önem taşıdığını rahatlıkla anlayabiliyoruz.

Bu noktada, alınan numunenin kalıptan çıkartılma süresinin de önemli olduğunu vurgulamamız lazım. Dökümhanelerde bu noktanın zaman zaman gözden kaçırıldığını görebiliyoruz: Ergimiş metali mümkün olduğunca yüksek bir sıcaklıkta kalıba döktükten sonra, numune katılaşır katılaşmaz kalıbı açıp numuneyi çıkarmamız gerekiyor. Bu şekilde kalıbın fazla ısınması engellenerek, bir sonraki ölçümde yine soğuk kalmasını sağlayabiliyoruz. Eğer peş peşe alınan numuneler nedeniyle kalıp ısınırsa, daha sonra alınan numunelerde tam bir beyaz katılaşma sağlanamayacağı için karbon değerlerinin düşük okunduğunu görebiliyoruz.

---

Kaynaklar ve ek bilgiler

1. K. Toedter, H.G. Jooesten. Improved determination of carbon in cast iron. Proceedings of the 71st World Foundry Congress. Vol. 1. Bilbao, Spain. (2014) 612.

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.)