Vermiküler grafitli dökme demir nedir?

Sanayide son yıllarda dökülen parçalara baktığımızda, büyük bir çoğunluğun lamel (gri) ve küresel grafitli dökme demir parçalardan oluştuğunu görüyoruz. Parçanın kullanılacağı yere göre, ya dökülebilirliği, işlenebilirliği, sönüm becerisi ve ısı iletkenliği yüksek olan lamel grafitli dökme demir, ya da daha yüksek mekanik özellikleriyle öne çıkan küresel grafitli dökme demir tercih ediliyor. Diğer bir deyişle, tercih edilen dökme demir türüne bağlı olarak, mutlaka bazı tavizlerin verilmesi gerekiyor: tercihinizi ya yüksek mekanik özelliklerden yana, ya da lamel grafitin sağladığı yukarıda sayılan diğer özelliklerden yana kullanıyorsunuz.

Vermiküler grafitli dökme demir (Resim: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

Her ne kadar henüz ülkemizde çok yaygın olmasa da, illa bir taviz vermenize gerek kalmadan, bu iki dökme demirin de avantajlarını elde edebildiğimiz bir grafit yapısı daha var: vermiküler (ya da kompakt) grafit. Lamel ve küresel grafit yapıları arasında, ara bir geçiş formu olarak da değerlendirebileceğimiz bu yapı, hem yüksek mekanik özelliklere, hem de yüksek ısı iletimine sahip olması gereken, motor bloğu gibi parçalar için uygun bir seçenek olarak karşımıza çıkıyor. Küresel grafitli dökme demire kıyasla dökülebiliriğinin ve işlenebilirliğinin de yüksek olması, bu malzemeyi küresel grafitli dökme kıyasla cazip bir alternatif haline getiriyor.

İngilizce’de genellikle kompakt grafitli dökme demir (compacted graphite iron, CGI) adıyla anılan bu malzeme, Alman dökümcüler tarafından vermiküler grafitli dökme demir (GJV) olarak adlandırılıyor (Almanca: Gusseisen mit Vermiculargraphit, GGV). Yandaki fotoğrafta da görülebileceği üzere, bu grafit yapısı mikroyapı fotoğlarında solucanı andıran bir yapıda görünüyor. Zaten adını da solucana benzer anlamına gelen vermicular kelimesinden alıyor. Birazdan ayrıntılı olarak bahsedeceğiz, ama burada kısa bir giriş yapalım: grafite bu yapıyı kazandırmak için sıvı metali bir magnezyum işleminden geçirmemiz gerekiyor, tıpkı küresel grafitli dökme demir üretir gibi. Bu işlemin verimini hassas bir şekilde kontrol etmek oldukça zor olduğu için, yapıda mutlaka bir miktar küresel (sfero) grafit bulunduğunu görüyoruz. Magnezyum işlemi sonrasında elde ettiğimiz grafit yapısını küresel değil de, vermiküler olarak değerlendirebilmemiz için, yapıdaki küre oranının %20’nin altında olması gerekiyor.

Magnezyum işlemi sonrasında ortaya çıkan grafit yaprakları, ilk bakışta lamel grafit yapısını andırıyor. Fakat dikkatli bakıldığında, vermiküler grafitin biraz daha basık ve sivri uçlardan yoksun olduğunu görüyoruz. Vermiküler grafit, mikroyapı fotoğrafında her ne kadar solucanı andıran bir yapıda görünüyor olsa da, aslında lamel grafit gibi üç boyutu bir yapı sergilediğini biliyoruz. Fakat bu yapı, lamel grafitte gözlemlediğimiz lahana yaprakları gibi değil, daha ziyade mercanı andırır bir şekilde ortaya çıkıyor. Yani, mikroyapı fotoğraflarında gördüğümüz solucanımsı grafitler, aslında birbirlerine bağlı, üç boyutlu bir ağ yapısında oluşuyor. Bu da, grafit ve demir matris arasındaki bağı güçlendirerek, vermiküler grafitli dökme demire mukavemet sağlayan bir etki ortaya çıkartıyor. Artan mukavemet sayesinde dökülecek parçanın kesit kalınlığının, dolayısıyla da ağırlığının azaltılması sağlanabiliyor.

Üretimi

Tıpkı küresel grafitli dökme demirde olduğu gibi, vermiküler grafitli dökme demir üretiminde de sıvı metaldeki oksijen ve kükürt seviyelerini azaltmak için sıvı metalin magnezyum işleminden geçirilmesi gerekiyor. Küresel grafitli ve lamel grafitli dökme demirler arasında bir geçiş formu olması nedeniyle, vermiküler grafit elde etmek için sıvıya eklenen magnezyum miktarının azaltılması gerekiyor. Fakat bu işlemin son derece dikkatli bir şekilde yapılması gerekiyor. Çünkü magnezyumun gereğinden daha az eklenmesi, ya da işlem sonrasında uzun bir süre beklenilmesi durumunda, yapıda lamel grafit yapraklarının ortaya çıktığı görebiliyoruz. Bu da, dökme demirin mukavemetinin yaklaşık 1/4 oranında gerilemesine neden olabiliyor. Bu nedenle dökümhaneler, genellikle işi sağlama almak amacıyla magnezyum miktarını gereğinden biraz daha fazla tutup, lamel grafit yerine yapıda bir miktar küre bulunmasını tercih edebiliyorlar. Bu tercih, nispeten basit geometriye sahip parçalarda kolaylıkla hayata geçirilebiliyor olsa da, daha karmaşık yapıya sahip parçalarda lamel grafit oluşturmadan, küre miktarını da düşük tutarak vermiküler üretebilmek, süreç kontrolü üzerinde sağlam bir hakimiyet gerektiriyor.

Mekanik özellikleri

Her şeyden önce solucanımsı grafit yapısı, vermiküler grafitli dökme demirin lamel grafitli dökme demire kıyasla daha üstün mekanik özelliklere sahip olmasını sağlıyor. Bunun nedeni, lamel grafit yapraklarının sivri uçlara sahip olması nedeniyle, bu uç noktalarda gerilimin yoğunlaşarak çatlak oluşumuna yol açabiliyor olması. Vermiküler grafit bu sivri uçlardan yoksun olduğu için, gerilimin bu şekilde yoğunlaşmasına neden olan bir etki ortaya çıkartamıyor. Bu özelliğe ek olarak, grafitin mercanı andırır bir şekilde üç boyutlu bir ağ yapısında oluşması da, demir matris ve grafit arasındaki bağı güçlendirerek, dökme demirin mukavemetine katkıda bulunuyor.

Vermiküler grafitli dökme demirin mekanik özelliklerini etkileyen bir diğer faktör de, matriste bulunan ferrit ve perlit oranı. Genel bir kural olarak, matristeki perlit oranı arttıkça, dökme demirin hem mukavemetinde, hem de sertliğinde bir artış meydana geldiğini görüyoruz. Bu mekanik özellikler ve perlit oranı arasında doğrusal bir ilişki olması nedeniyle, dökümhane mühendisleri istenen özellikleri elde etmek için yapıda ne kadar perlit bulunması gerektiğini kolaylıkla hesaplayabiliyorlar.

Sonuç

Vermiküler grafitli dökme demir, hem lamel grafitli dökme demirin sağladığı avantajları sunması, hem de küresel grafitli dökme demire yakın mekanik özelliklere sahip olması nedeniyle, cazip bir alternatif olarak karşımıza çıkıyor. Fakat, üretim sırasında eklenen magnezum miktarının hassas bir dengede tutulması gerektiği için, bu malzemenin üretimi sağlam bir süreç hakimiyeti gerektiriyor.

Vermiküler grafitli dökme demir üretimi için süreç kontrolü konusunda son yıllarda büyük bir mesafe katedildi. Artık karmaşık geometrik özelliklere sahip parçalar dahi, vermiküler grafit yapısına sahip olarak şekilde yüksek hacimde dökülebiliyor. Son yıllarda geliştirilen ve döküm sürecinde kullanılan ölçüm teknolojileri, sıvı metal kontrolü konusunda dökümhane mühendislerine büyük kolaylıklar sağlıyor. Sanayide vermiküler grafitli dökme demir ile üretilen örnekler arasında, BMW 7 ve Audi A8 serisi arabaların V8 dizel motorlarını gösterebiliriz.

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.)