Yüksek silisyumlu ferritik vermiküler grafitli dökme demirler: SSF ve CGI’nin birleşimi

Dökümhane sitesinde yayımladığımız çeşitli yazılarda, nispeten yeni diyebileceğimiz bazı dökme demir türlerine yer vermiştik. Örneğin sanayide kısaca SSF adıyla bilinen ve yüksek silisyum içeren ferritik sfero dökme demirleri (GJS-600-10, GJS-500-14 ve GJS-450-18) bu genç dökme demir türlerine bir örnek olarak gösterebiliriz. Bu dökme demirlerde bulunan %4 civarındaki silisyum, yapıdaki karbonun grafit formunda ayrışmasına yol açtığı için, bu dökme demirlerin tamamen ferritik bir yapı sergilediklerini ve nispeten yüksek bir dayanıma ek olarak, perlitik dökme demirlere kıyasla daha yüksek uzama değerleri sergilediklerini görüyoruz. Örneğin 600 MPa çekme dayanımına sahip bir perlitik sfero dökme demirin %3’ün üzerinde bir uzamaya sahip olması beklenirken, SSF olarak sınıflandırılan ve aynı çekme dayanımına sahip ferritik dökme demirlerde bu değer %10’a çıkıyor.

Nispeten yeni bir malzeme olarak değerlendirebileceğimiz bir diğer dökme demir türü de, bildiğiniz gibi vermiküler grafitli dökme demirler (CGI). Grafitin lamel ya da küresel yapıda değil, bu ikisinin arasında bir geçiş formu olarak, solucanımsı yapıda ortaya çıktığı bu dökme demirlerin, gri dökme demire yakın ısı iletkenliği sergilemeleri yanında, gri ve sfero dökme demirlerin arasında mekanik değerlere sahip olduklarını görüyoruz. O nedenle geleneksel olarak gri dökme demirlerin kullanıldığı ve ısı iletkenliğinin önemli olduğu motor bloğu ya da fren diski gibi bazı uygulamalarda, vermiküler grafitli dökme demirlerin kullanılmaya başlandığını görebiliyoruz.

Yüksek silisyumlu ferritik vermiküler grafitli dökme demir (SSF-CGI)

Her iki malzemenin üretiminde de magnezyum tretmanı yapılıyor olması nedeniyle, muhtemelen birçok kişinin aklına bu iki malzemenin birleşimi olarak değerlendirilebilecek bir malzemenin üretilip üretilemeyeceği sorusu gelmiş olabilir. Diğer bir deyişle SSF sferolara benzer şekilde yüksek silisyum içeren, dolayısıyla ferritik bir matris yapısı sergileyen vermiküler grafitli dökme demirler üretilebilir mi? Üretilirse nasıl bir avantaja sahip olabilir?

İlk sorunun cevabı, evet. Aşağıdaki mikroyapı fotoğrafları üzerinde de görebileceğiniz üzere, yüksek oranda silisyum kullanarak tamamen ferritik yapı sergileyen bir vermiküler grafitli dökme demir üretmek gerçekten de mümkün.

Burada esas önemli olan soru, böyle bir malzemenin nasıl bir avantaj sağlayacağı. Tıpkı SSF sfero dökme demirlerde olduğu gibi, yüksek silisyum içeren vermiküler grafitli dökme demirlerde de ferritik yapının sertleşmesi sonucunda dayanım değerlerinin arttığını gözlemliyoruz. Örnek olarak aşağıdaki grafiklerin üzerinde, sırasıyla düşük (%3,7), orta (%4,0) ve yüksek (%4,5) silisyum içeren SSF vermiküler grafitli dökme demirlerin farklı kesit kalınlıklarında sergiledikleri mekanik özellikler gösteriliyor. Grafiklerde açıkça görülebileceği üzere silisyum miktarı arttıkça hem akma, hem de çekme dayanımı artış gösteriyor.

Beklenildiği üzere, silisyum miktarı arttıkça yükselen dayanıma zıt şekilde, uzama değerlerinin düşmeye başladığını görüyoruz. Yüksek silisyumlu vermiküler grafitli dökme demirlerin uzama değerlerinin, SSF sfero dökme demirler kadar yüksek olmadığı sizin de dikkatinizi çekmiştir. Bu fark, vermiküler yapıdaki grafit parçacıklarının – tıpkı lamel grafitli dökme demirlerde olduğu gibi – birbirlerine bağlı bir yapı sergiliyor olmasından kaynaklanıyor. Grafit parçacıklarının sferoda olduğu gibi ayrı ayrı küreler halinde değil, birbirine bağlı solucanımsı bir yapıda katılaşması nedeniyle, gerinim altında bu parçacıkların çatladığını ve malzemenin sünekliğinin bu durumdan olumsuz etkilendiğini gözlemliyoruz.

Yüksek silisyumlu ferritik vermiküler grafitli dökme demirin avantajı nedir?

Tıpkı SSF sfero dökme demirlerde olduğu gibi, yüksek silisyumlu ferritik vermiküler grafitli dökme demirlerin de ilk göze çarpan avantajı, yüksek akma dayanımına sahip olmaları. Örneğin ISO 16112 standardına göre 500 MPa çekme dayanımına sahip perlitik bir vermiküler grafitli dökme demirin (GJV-500) akma dayanımının 30 mm’lik bir kesitte minimum 350 MPa değerinde olması gerekiyor. Aynı çekme dayanımına sahip benzer bir kesitte, yüksek silisyum içeren vermiküler grafitli dökme demirde bu değer 400-450 MPa civarına ulaşıyor (yukarıdaki grafik). Üstelik yüksek silisyum akma dayanımını arttırırken, uzama değerlerinin bir miktar daha yüksek kalmasını da sağlayabiliyor: 500 MPa çekme dayanımına sahip perlitik dökme demirlerde uzama değerlerinin %0,5, yüksek silisyumlu ferritik dökme demirlerde ise %2 civarında olduğunu gözlemliyoruz.

Bu malzemenin bir diğer önemli özelliği ise ısı iletkenliği. Bildiğiniz gibi vermiküler grafitli dökme demirleri sferodan ayıran en önemli özelliklerden bir tanesi, daha yüksek bir ısı iletkenliğine sahip olmaları. Zaten bu nedenle özellikle yüksek ısı iletkenliğinin istendiği uygulamalarda tercih ediliyorlar. Perlitik vermiküler dökme demirlerde yapıdaki perlit miktarı arttıkça ısı iletkenliğinin azaldığı biliniyor: Tamamıyla ferritik bir vermiküler grafitli dökme demirin ısı iletkenliği 45-50 W/mK civarındayken, perlit miktarı %100’e ulaştığında bu değer 35 W/mK civarına düşebiliyor.

Yüksek silisyum içeren ferritik vermiküler dökme demirler, GJV-500 gibi perlitik malzemelere kıyasla daha yüksek akma dayanımını yüksek bir ısı iletkenliğiyle birleştirebildikleri için, yakın bir gelecekte perlitik malzemelere bir alternatif olarak kendilerini göstermeye başlayabilirler. Fakat henüz bu malzemelerin herhangi bir standart kapsamında tanımlanmadıklarını ve şu aşamada sadece üniversite bünyesinde sürdürülen araştırma projelerinde incelendiklerini de son bir not olarak vurgulayalım.

Kaynaklar ve ek bilgiler

Mechanical properties of solid solution strengthened CGI. R. Ghasemi, L. Elmquist, H. Svensson, M. König, A.E.W. Jarfors. International Journal of Cast Metals Research (2016).
On thermal expansion and density of CGI and SGI cast irons. T. Matsushita, E. Ghassemali, A.G. Saro, L. Elmquist, A.E.W. Jarfors. Metals, Vol. 5 (2015) 1000.
ISO 16112: Compacted (vermicular) graphite cast irons – Classification. ISO (2017).

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.)