Küreselleştirici seçimi ve çekinti ilişkisi

Daha önce yayımladığımız birçok yazıda, küresel grafitli dökme demirde çekinti oluşumunu etkileyen faktörler üzerinde durmuştuk. Kompozisyon, model tasarımı, aşılama ve döküm sıcaklığı gibi birçok parametreye ek olarak, küreselleştirme işleminde kullanılan alaşımlar da çekinti oluşumunu etkileyebiliyor.
Türkiye’deki dökümhanelere baktığımızda, birkaç istisna hariç büyük ölçüde küreselleştirme işleminin FeSiMg kullanılarak yapıldığını görüyoruz. Çeşitli tedarikçilerden elde edilebilen FeSiMg içinde, mutlaka bir miktar Seryum (Ce) gibi nadir toprak elementlerinin bulunduğunu biliyoruz. Küre sayısını optimize etme konusunda büyük faydası olan bu elementler, aynı zamanda dökme demirde bulunan kurşun (Pb), antimon (Sb) titan (Ti) ve bizmut (Bi) gibi istenmeyen elementlerle kararlı intermetalik bileşikler oluşturarak, bu zararlı elementlerin etkisini ortadan kaldırma görevi görüyor.

Mischmetal parçaları (Kaynak: Wikimedia Commons)

FeSiMg içine eklenen nadir toprak elementlerine baktığımızda, genellikle mischmetal adı verilen bir nadir toprak elementi karışımı kullanıldığını görüyoruz. Mischmetal her ne kadar çekintiye karşı bir miktar koruma sağlasa da, lantan (La) miktarı optimize edilerek hazırlanmış FeSiMg alaşımları kullanıldığında, küresel grafitli dökme demirde sıklıkla karşılaşılan çekinti problemine karşı daha etkin bir koruma sağlanabiliyor.
Mischmetal yerine saf lantan (La) içeren bu alaşımlar, küre sayısını arttırdığı gibi, aynı zamanda kürelerin boyut dağılımını da optimize eden bir etki ortaya çıkartıyor: Katılaşmanın ilk evrelerinde ortaya çıkan büyük kürelerin sayısı azalırken, katışmanın ilerleyen evrelerinde ortaya çıkan orta ve küçük boyutlu kürelerin sayısında bir artış gerçekleşiyor. Küresel grafitli dökme demirde ortaya çıkan çekinti problemini gidermek için bu küçük kürelere ihtiyaç duyulduğu için, sonuç olarak çekinti oluşma eğiliminde bir azalma meydana geldiğini görüyoruz.

Kürelerin boyutu ve çekinti ilişkisi

Bu etkinin kökeninde yatan etkiyi önceki yazıları okumayan okuyucularımız için tekrar bir hatırlatmak gerekebilir: Küresel grafitli dökme demirde çekinti problemini gidermek için, katılaşma sırasında oluşan grafit kürelerinin çevrelerindeki sıvıyı çekintinin oluştuğu bölgelere doğru itekleyebilmesi gerekiyor. Eğer grafit küreleri katılaşmanın ilk evrelerinde, besleyici ve parça arasındaki yolluk boğazı donmadan ortaya çıkarlarsa, besleyici ile parça arasındaki kanal açık olduğu için, sıvıyı ister istemez tekrar besleyiciye doğru itiyorlar. Erken çekirdeklenip büyüyen bu grafit parçacıkları, metalografi incelemesinde oldukça büyümüş olarak kendilerini gösteriyorlar.
Çekintinin giderilmesine rol oynayan grafit küreleri ise, besleyici ve parça arasındaki yolluk boğazı donduktan sonra ortaya çıkan küreler. Bu boğaz donduktan sonra sıvının kalıptan besleyiciye doğru gidebilmesi mümkün olmadığı için, küreler büyürlerken ister istemez çevrelerindeki sıvıyı kalıp içinde çekintinin oluşmaya başladığı bölgelere doğru iterek, bir besleme etkisi ortaya çıkartıyorlar. Katılaşmanın nispeten daha geç evrelerinde ortaya çıkan bu küreler, metalografik incelemede daha küçük görünüyorlar.

Dökme demirde çekintiyi engellemek için soğutucu çil kullanımı

Önceki haftlarda küresel grafitli dökme demirlerde çekinti probleminin nasıl önlenebileceği üzerine birçok yazı yayımladık. Kompozisyon, kalıplama ve aşılamaya bağlı çeşitli parametrelerin çekinti oluşumunu ne yönde etkileyeceği üzerinde durduk. Bu yazıda soğuma hızı ve çekinti ilişkisi üzerinde durup, besleyici ile çekinti problemini engelleyemediğimiz durumlarda, soğuma hızını arttırarak çekintinin nasıl önüne geçebileceğimiz sorusunu ele alacağız.
Dökülen bir parçada çekinti oluşumunun önüne geçmenin en bilindik yolu, tüm dökümcülerin bildiği üzere, çekinti görülen bölgelere besleyici yerleştirerek katılaşmanın sonuna kadar bu bölgelerin sıvı metal ile beslenmesini sağlamaktır. Bu geleneksel yönteme bir alternatif olarak, dökümcülerin kalıp içine soğutucu çil parçaları yerleştirerek, çekinti oluşması muhtemel bölgeleri hızlı bir şekilde soğutup, çekinti oluşumunu engellediklerini de görebiliyoruz. Çekinti daima kalıp içinde en son katılaşan kısımlarda ortaya çıktığı için, çekinti oluşması muhtemel bölgelerin hızlı bir şekilde katılaşmasını sağladığımızda, doğal olarak bu bölgelerde çekinti oluşması gibi ihtimali ortadan kaldırmış oluyoruz.
Besleyicilerden farklı olarak, soğutucu çil kullanımının istenen mikroyapısal özelliklerin elde edilebilmesi açısından sağladığı faydalar da bulunuyor. Örneğin küresel grafitli dökme demirden üretilen büyük parçalarda, küre sayısını arttırmak ve küreselliği yüksek tutmak her zaman çok kolay olmuyor. Bu durumlarda besleyici kullanımı katılaşma süresini uzatması nedeniyle işi daha da kötüye götürürken, soğutucu çil kullanıldığı durumlarda katılaşma süresinin kısalması nedeniyle küreselleşmenin ve küre sayısının istenen değerlerde tutulabildiğini görüyoruz.

Soğutucu çil türleri

Çekinti oluşması muhtemel bölgelerde soğutucu çil kalıp içinden ve kalıp dışından etki edecek şekilde kullanılabiliyor. Her alaşım için yaygın bir şekilde kullanıldığını söyleyemesek de, kalıp içi soğutucu çiller dökümden sonra tamamen sıvı metal içinde kaldığı için, kısmi olarak eriyerek dökülen parçanın içinde kalıyor. Kısmi olarak erimeleri nedeniyle, kalıp içi soğutucu çiller aynı zamanda ergime için ihtiyaç duydukları ergime ısısını absorbe ederek de ekstra bir soğutucu etki ortaya çıkartıyorlar. Bu amaçla kullanılan kalıp içi soğutucu çillerin dökülen parçayla aynı malzemeden yapılmış olması gerekiyor. Kalıp içinde kullanılan bu tür soğutucu çiller dökümden sonra her zaman parçanın içinde bırakılmıyor: Bazı parçalarda bu çiller dökümden sonra işlenecek olan bir bölgeye yerleştirilip, döküm sonrasında işleme sırasında parça içinden çıkartılıyorlar. Tabii bu nedenle, kalıp içine yerleştiriliecek olan soğutucu çilin dikkatli bir şekilde tasarlanması ve konumunun da dikkatli bir şekilde seçilmesi gerekiyor.
Kalıp içine yerleştirilen bu soğutucu çiller çubuk (pin) yapısında olabileceği gibi, zaman zaman bobin formunda da olabiliyor. Bobin formundaki bir soğutucu, benzer uzunluktaki bir çubuğa kıyasla daha geniş bir yüzey alanına sahip olacağı için, ısıyı daha hızlı bir şekilde absorbe edip, çevresindeki sıvının daha hızlı katılaşmasını sağlayabiliyor.
Kalıp dışından kullanılan soğutucu çiller ise, adından da anlaşılabileceği üzere, kalıp içindeki boşluğa değil, bu boşluğun kenarlarına yerleştiriliyor: Diğer bir deyişle, kalıbın bir parçası olarak görev yapıyorlar. Hem ısı iletkenliği hem de özgül ısısı yüksek olan bu soğutucu çiller, yerleştirildikleri konumun yakınında bulunan sıvının lokal olarak hızlı soğumasını ve katılaşmasını sağlayıp, bu bölgede çil oluşmasının önüne geçiyorlar. Besleyici sayısının azaltılmasına ve besleyici mesafesinin arttırılmasına da yardımcı olabilen kalıp dışı soğutucu çiller sadece kalıp içine değil, maça içine yerleştirilerek de kullanılabiliyorlar.

Dökme demirde soğuma eğrisi analizinin temelleri

Temmuz 6, 2015
Bu hafta, sıvı metal kalitesi üzerinde etkin bir kontrol sağlamamıza olanak sağlayan ve dökümcüler tarafından uzun bir süredir kullanılan soğuma eğrisi analizine bir giriş yapacağız. Uzun ve kapsamlı olarak ele alınması gereken bir konu olduğu için, tek bir uzun yazıya sığdırmaya çalışmak yerine, bu analizi bir yazı dizisi halinde yayımlacağız.
Tüm dökümcülerin bildiği üzere, döküm yöntemiyle üretilen parçalarda istenen mekanik ve mikroyapı özelliklerinin elde edilmesi her zaman çok kolay olmuyor. Özellikle her ocakta farklı miktarlarda yolluk/döndü kullanılması, dip metal miktarı ya da farklı hurda kullanımına bağlı parametreler, her yeni ocakta sıvı alaşımın birbirinden farklı özellikler sağlamasına yol açıyor.
Sıvı alaşım böylesine değişken özellikler sergilerken, üretim sürecini standartlaştırılmış pratikler ile sürdürmek ne yazık ki istenen sonuçların elde edilebilmesini sağlayamıyor. Bu nedenle standart prosedürler üzerinden ilerlemek yerine, sıvı alaşımın özelliklerini ocak başında analiz edebilen ve buna göre sürecin ne şekilde sürdürülmesi gerektiği konusunda bize ipucu verebilen yöntemlere daima ihtiyaç duyuyoruz. Bu yazıda bir giriş yapacağımız soğuma eğrisi analizi, bu amaçla kullanabileceğiniz oldukça basit ama bir o kadar da kapsamlı bilgiler sunabilen bir süreç kontrol yöntemi.

Soğuma eğrisi nedir?

Soğuma eğrisi, en basit ifade şekliyle, soğuyan bir cismin sıcaklığının zamana bağlı olarak nasıl değiştiğini temsil eden grafiksel bir gösterim. Normalde soğuyan bir cismin sıcaklığını gösteren bu tür bir eğrinin, oda sıcaklığına doğru azalacak şekilde bir yapı sergilemesini bekliyoruz. Fakat kalıp içinde soğuyan bir sıvı alaşımın soğuma eğrisine baktığımız zaman, soğuma eğrisi üzerinde bazı büküm noktaları olduğunu gözlemliyoruz. Soğuma eğrisi üzerinde bu büküm noktalarının oluşmasının nedeni, sıvı alaşımın bir yandan soğurken aynı zamanda katılaşıyor olması; yani, bir dizi faz dönüşümünden geçiyor olması. Aşağıdaki demir-karbon denge faz diyagramına dikkat ederseniz, sağ tarafta gösterilen soğuma eğrisi üzerindeki büküm noktalarının, demir-karbon denge faz diyagramı üzerindeki faz dönüşüm sıcaklıklarına denk geldiğini görebilirsiniz.

Sol taraftaki demir-karbon denge faz diyagramı üzerinde yeşil çizgi ile gösterilen C0 kompozisyonuna sahip bir alaşıma ait soğuma eğrisi, sağ taraftaki diyagram üzerinde gösteriliyor.

Yukarıda sol taraftaki faz diyagramı üzerinde yeşil çizgi ile gösterilen C0 komposizyona sahip bir dökme demirin soğuma eğrisi sağ tarafta temsili olarak gösteriliyor. Soğuma eğrisi üzerindeki tüm büküm noktalarının, faz diyagramı üzerindeki denge dönüşüm sıcaklıklarına denk geldiğini yukarıda söylemiştik. Aslında bu büküm noktaları tam olarak denge dönüşüm sıcaklıklarına değil, bu değerlerin bir miktar altına denk geliyor. Aşırı soğuma (ya da alt soğuma) adı verilen bu etkiden birazdan bahsedeceğiz.
Soğuma eğrisi üzerinde görülen büküm noktaları sırasıyla likidüs, ötektik ve ötektoid dönüşüm sıcaklıklarını gösteriyor. Ötektoid dönüşüm katı halde gerçekleşen bir faz dönüşümü olduğu için, şimdilik bu kısmı konunun dışında bırakacağız. Biz bu yazıda sadece yukarıdaki soğuma eğrisinin sarı çerçeve içinde kalan ve katılaşmayı temsil eden kısmı üzerinde duracağız.

Dökme demire ait tipik bir soğuma eğrisi

Tipik bir dökme demir soğuma eğrisi (büyütmek için tıklayın)

Yandaki diyagram üzerinde, ötektik altı (hipoötektik) komposizyona sahip bir dökme demire ait, tipik bir soğuma eğrisi gösteriliyor. Sıvı haldeyken soğumaya başlayan dökme demir ilk olarak TL ile gösterilen likidüs (sıvılaşma) sıcaklığından geçiyor. Bu sıcaklıkta katılaşma ilk olarak östenit dendritleriyle başlıyor. Sıvı alaşım ötektik sıcaklığa doğru soğumaya devam ederken, bu östenit dendritlerinin de büyümeye devam ettiklerini görüyoruz.
Sıcaklık ötektik noktaya geldiğinde, eğer sıvı içinde ötektik katılaşma için uygun koşullar varsa, ötektik katılaşmanın başladığını ve sıvı içinde çözünmüş durumda bulunan karbonun grafit formunda bu sıcaklıkta ayrışmaya başladığını görüyoruz. Demir-karbon faz diyagramında 1153°C olarak verilen bu sıcaklık, dökme demirde bulunan silisyum nedeniyle yaklaşık 1150°C’ye iniyor. Tabii dökümhane koşullarında bu dönüşümün tam olarak 1150°C’de gerçekleştiğini göremiyoruz: ötektik çekirdeklerin oluşması için gerekli koşullar tam sağlanamadığı için katılaşma başlayamıyor. Bunun doğal sonucu olarak katılaşamayan sıvı soğumaya devam ediyor. Katılaşma başlamış olması gerekirken, sıvı fazın katılaşamadan sıvı olarak soğumaya devam ettiği bu duruma aşırı soğuma adını veriyoruz ve kaç derecelik bir aşırı soğuma olduğunu ΔT simgesi ile gösteriyoruz (örneğin ΔT = 5,6°C gibi).
Bu aşırı soğumadan sonra, yukarıdaki soğuma eğrisi üzerinde de görebileceğiniz üzere, sıvı metalin sıcaklığı bir miktar artıyor. Yani sıvı içinde yeniden bir ısınma etkisi gözlemliyoruz. Tam da bu nedenle yeniden ısınma (İngilizce: recalescence) adını verdiğimiz bu etki, ötektik katılaşmayla salınan katılaşma ısısı nedeniyle ortaya çıkıyor. Sıvı içinde ne kadarlık bir ısınma olduğunu belirtebilmek için, yukarıdaki soğuma eğrisi üzerinde TEmin ve TEmaks olarak gösterilen, ısınmadan önceki en düşük ve ısınma sonrasındaki en yüksek ötektik sıcaklıklar arasındaki farka bakıyoruz ve bu farklı ΔTM ile gösteriyoruz (örneğin ΔTM = 3,4°C gibi).
Bu temel kavramları öğrendiğimize göre, bu kavramlardan faydalanarak sıvı dökme demirin durumunu nasıl değerlendiriyoruz, ona bakalım.

Soğuma eğrisiyle karbon eşdeğeri kontrolü

İlk olarak soğuma eğrileriyle sıvı metalin karbon eşdeğerini nasıl tayin ettiğimiz üzerinde duralım. Aşağıdaki denge faz diyagramı üzerinde de görebileceğiniz gibi, katılaşma sırasında ilk gözlemlenen likidüs sıcaklığı ve karbon eşdeğeri arasında direkt bir ilişki kurabiliyoruz. Daha önceki yazılarda bu konu üzerinde durduğumuz için burada tekrar ayrıntılı olarak açıklama gereği duymuyoruz.

Likidüs sıcaklığı ve sıvılaşma karbon eşdeğeri (CEL) ilişkisi

Soğuma eğrisi analizi başka hangi konularda bilgi sağlıyor?

Soğuma eğrisi analizi birçok dökümhanede kompozisyon analizi için kullanılıyor. Fakat soğuma eğrilerinin sağladığı bilgiler sadece karbon eşdeğeriyle sınırlı değil: Bu temel işlevi yanında soğuma eğrileri bize aşılamanın verimi ve çekinti oluşma eğilimi hakkında da bilgi sunuyor. Bu yazıyı çok fazla uzatmamak adına şimdilik burada bir ara verip, ΔT ve ΔTM parametrelerinden yola çıkarak aşılamanın verimini ve özellikle küresel grafitli (sfero) dökme demirde çekinti oluşma riskini nasıl değerlendirdiğimizden önümüzdeki günlerde bahsedeceğiz.

Kalan Mg ile küreselleştirme işleminin verimini değerlendirmek neden doğru değil?

Bu hafta yine küresel grafitli dökme demir (sfero) üretimine dair bir sorun üzerinde duracağız: Küreselleştirme işleminin verimini nasıl değerlendirebiliriz?
Küresel grafitli dökme demir (sfero) üreten tüm dökümcülerin gayet aşina olduğu üzere, grafit parçacıklarını küreselleştirmek için sıvı dökme demiri magnezyum (Mg) ile bir işlemden geçiriyoruz. Bu işlem sırasında ne kadar Mg eklediğimiz oldukça önemli: Gereğinden fazla miktarda Mg eklenmesi çekinti, ince kesitlerde karbür oluşumu gibi sorunları tetiklerken, Mg’nin yetersiz kalması durumunda ise kürselleşmenin düşük kaldığını gözlemliyoruz.
Dökümhanelerde uygulanan genel pratiğe baktığımızda, magnezyumun ferroalyaj formunda ve yaklaşık %1,3 – %1,4 civarında eklendiğini görüyoruz. Küreselleştirme işlemi sonrasında yapılan spektrometre analizinde, dökümhanelerin genellikle %0,035 – %0,050 civarında bir kalan Mg ile işlemi sonlandırdıklarını ve döküme gittiklerini gözlemliyoruz. Birçok dökümhane küreselleştirme işlemi sonrasında ölçülen bu “kalan Mg” değerini işlemin verimini değerlendirmek için bir referans olarak kabul etse de, aslında bu yaklaşım dökümhaneleri yanlış değerlendirmeler yapmaya itebiliyor. Nedenine birlikte bakalım.

Mg işlemini neden yapıyoruz?

Her şeyden önce bu magnezyum işlemini neden yaptığımıza dair kısa bir hatırlatma yapalım. Dökme demirde yüzey aktif element olarak tarif ettiğimiz ve sıvı dökme demir ile grafit arasındaki arayüzeyin enerjisini azaltan iki element bulunuyor: Oksijen ve kükürt. Bu iki elementin yüksek miktarda bulunması, sıvının yüzey gerilimini azaltarak grafitin lamel yapısında büyümesine yol açıyor. Eğer bu elementlerin miktarını azaltabilirsek, o zaman sıvının yüzey gerilimi artıyor ve küre yapısına sahip grafit parçacıklarının ortaya çıktığını gözlemliyoruz. Bu kısa tariften de anlaşılabileceği üzere, aslında bu iki elementin miktarını azaltabilmek için sıvı dökme demiri Mg ile işlemden geçiriyoruz. Çünkü magnezyum hem oksijenle birleşip MgO, hem de kükürtle birleşip MgS oluşturabiliyor. Yani hem oksijen giderme, hem de kükürt giderme görevi görebiliyor.
Her ne kadar bazı kaynaklar küreselleştirme işlemi için esas önemli olan elementin kükürt olduğunu iddia etse de, bu doğru bir bakış açısı değil. Bunun birinci ispatı, metalürji kökenli okuyucularımızın bildiği üzere, Ellingham diyagramları üzerinde görülebilir: MgO’nun oluşum enerjisi MgS’den daha düşük olduğu için, eklenen Mg ilk olarak deoksidasyon yaparak MgO oluşmasını sağlıyor. Daha sonra kükürt giderme işlemi devreye giriyor ve MgS oluşmaya başlıyor. Diğer bir deyişle sıvı dökme demirden kükürtün giderilmesi için, öncelikle oksijenin giderilmesi gerekiyor.
Oksijenin önemli olmasının ikinci ispatı ise, yukarıda da belirtildiği gibi, oksijenin yüzey aktif bir element olmasından kaynaklanıyor (yani oksijen, sıvı ve grafit arasındaki arayüzeyin enerjisini modifiye eden bir etki ortaya çıkartıyor). Bu nedenle sıvı içinde çözünmüş durumda bulunan oksijenin küreselleşmeye etkisi olmayacağını iddia edemeyiz.

Kalan Mg bizi neden yanıltıyor?

Şimdi gelelim kalan Mg değerinin neden yanıltıcı bir parametre olduğu konusuna: Magnezyum çok kuvvetli bir oksit giderici olduğu için (ve Ellingham diyagramında oluşum serbest enerjisi en düşük oksitlerden biri olduğu için) ilk olarak sıvıdaki oksitleri indirgemeye başlıyor. Mg işlemi öncesinde sıvı dökme demir içinde sadece 1 ppm (milyonda bir) civarında oksijen olduğunu teknik literatüredeki araştırmalardan biliyoruz. Sıvıdaki oksijen miktarı milyonda bir olmasına rağmen, sıvı içinde çok daha yüksek miktarda Mg ekliyor olmamızın nedeni, sıvıda hâlihazırda bulunan bu oksitlerin Mg ile tepkimeye girerek Mg’nin baştan tükenmesine yol açması. Zaten sıvı dökme demir Mg ile temas ettiğinde kuvvetli bir reaksiyon gerçekleşmesinin nedeni de, sıvıda bulunan bu oksitlerin indirgeniyor olması: Sonuçta sadece milyonda bir mertebesinde bulunan oksijenin bu kadar kuvvetli bir tepkime yaratmasını bekleyemeyiz.
Sıvı dökme demir Mg ile tepkimeye girince, sıvıda çözünen Mg’e ek olarak MgO, MgS, MgN gibi bileşikler de ortaya çıkıyor. Büyük olan bileşik parçacıkları cürufa giderken, daha küçük olanlar sıvı içinde kalabiliyor. Siz böyle bir sıvı içinden spektrometre numunesi aldığınız zaman okuduğunuz Mg değeri sadece sıvıda çözünen Mg’yi değil, aynı zamanda MgO, MgS ve MgN gibi bileşikleri de temsil ediyor. Tepkimenin verimini değerlendirmenize yardımcı olacak parametre sıvıdaki çözünmüş oksijen ile tepkimeye giren çözünmüş Mg olduğu için, böyle toplu bir değerlendirme yapan spektrometre analizi maalesef ihtiyaç duyulan bilgiyi sağlamakta yetersiz kalıyor.

Mg işleminin verimini nasıl değerlendirmek gerekir?

Mg işleminin verimini doğru bir şekilde değerlendirebilmek için, sıvı dökme demirdeki oksijen aktivitesini ölçebilen probların kullanılması gerekiyor. Bu problarla yapılan ölçümlerde, Mg işlemi sonrasında sıvı dökme demir içindeki oksijen aktivitesinin 70-80 ppb civarına düşmesi gerektiğini biliyoruz. Bir örnek vermek adına, döküm sonrasında yaptığınız spektrometre analizinde kalan Mg değerini %0,040 olarak tespit ettiniz diyelim. Bu değer dikkat ederseniz 400 ppm’e, yani 400.000 ppb’ye denk geliyor. Yani siz bir milyar atom içinde 70-80 tane oksijen atomuna karşılık 400.000 Mg atomu görüyorsunuz. Örneğin oksijen aktivitesi 80 ppb değil de 40 ppb gibi düşük bir değere düşmüş olsa, spektrometrede gördüğünüz kalan Mg miktarı da 40 atomluk bir düşüş yapıp 399.960 ppb değerine inecek (çünkü bir oksijen atomu bir Mg atomuyla birleşerek MgO oluşturuyor). Bu kadar ufak bir değişimi spektrometre sonuçları üzerinde göremezsiniz. Mg miktarı 40 ppb azalmış olsa da, sizin spektrometre analizi sonuçlarında gördüğünüz değer yine %0,040 olacak. Yani spektrometre ile yaptığınız ölçüm, oksjieni gereğinden fazla oranda gidermiş olduğunuzu anlamanızı sağlayamayacak.
Yukarıda sayılan bu sebeplerle, çoğu zaman dökümhanelerin aynı ferroalyajı aynı miktarda kullansak da, sfero üretiminde bazen sorun yaşıyoruz diye şikayet ettiklerini görüyoruz. Sadece toplam bir değerlendirme imkanı sunan spektrometre analizi yerine, sıvıdaki oksijen aktivitesini milyarda bir hassasiyetle ölçmeye imkan sunan problar kullanıldığında, Mg işleminin verimini doğru bir şekilde değerlendirmek ve süreçler arasında neden farklılıklar oluştuğunu anlamak mümkün olabilir.

Alüminyum alaşımlarında tane inceltme

Dökümhane sitesinde yayımlandığımız birçok yazıda, döküm öncesi sıvı alaşımlara yaptığımız çeşitli müdahaleler ile katılaşma sürecinde nasıl kontrol sağladığımız ve bunun sonucu olarak dökülen parçanın mekanik özelliklerini nasıl kontrol altına alabildiğimiz üzerinde durduk. Bu yazıda da, benzer bir konuyu ele alacağız ve alüminyum alaşımlarında tane inceltme amacıyla uygulanan bir yöntem üzerinde duracağız.
Tane inceltmenin artı yönlerini biliyoruz: İnce taneli yapıya sahip bir parça, daha iri taneli bir parçaya göre daha iyi mekanik özellikler sergiliyor. Tane boyunu değiştirmenin en bilindik yolu soğuma hızı ile oynamak: Dökülen parçanın hızlı soğuyan kısımlarında ince taneler ortaya çıkarken, göreceli olarak daha yavaş soğuyan kısımlarında daha iri taneler ortaya çıkıyor. Eğer birçok farklı kesit kalınlığı sergileyen bir parçayı hiçbir müdahalede bulunmadan dökerseniz, ince kesitler daha ince taneli ve dolayısıyla daha iyi mekanik özelliklere sahip olarak, kalın kesitler ise daha kalın taneli ve dolayısıyla daha zayıf mekanik özellikler sergileyerek katılaşabiliyor. Hem mekanik özellikler arasındaki bu değişimleri ortadan kaldırmak, hem parçada ortaya çıkan ikincil fazların dağılımını kontrol altına alabilmek, hem de parçanın yüzey kalitesini iyileştirmek amacıyla, tane boyu dağılımını sadece soğuma hızına bırakmadan, eklediğimiz bir takım katkı maddeleriyle bizim kontrol altına almamız gerekebiliyor.

Alüminyumda tane inceltici etkisi: Solda tane inceltici eklenmemiş bir ingot, sağda ise tane inceltici eklenmiş bir ingot görülüyor.

1930’lu yılların başında uygulanan pratiklere baktığımızda, alüminyum alaşımlarında tane inceltmek için sıvı içinde titanyum eklendiğini görüyoruz. Günümüzde ise genellikle çok daha etkili bir tane inceltici etkisine sahip olan Al-Ti-B alaşımları kullanılıyor. Mikroskobik ölçekte TiB2 ve TiAl3 parçacıkları içeren bu alaşımlar sıvıya eklendiğinde, sıvıya geçen bu ufak parçacıklar alüminyum kristallerinin çekirdeklenebilecekleri birer yüzey görevi görüyorlar. Bunun doğal sonucu olarak katılaşma birçok farklı noktadan başladığı için, katılaşma sonunda birim hacim içinde düşen tane sayısının arttığını görüyoruz. Diğer bir deyişle tane boyunun küçüldüğünü, yani tanelerin inceldiğini gözlemliyoruz. İlgili okurlarımız için parantez içinde şunu da belirtelim: Her ne kadar alaşımların içindeki TiB2 ve TiAl3 parçacıkları tane incelmesini sağlıyor desek de, sadece TiB2 ya da sadece TiAl3 içeren alaşımlarda bu etkinin daha zayıf bir şekilde ortaya çıktığını görüyoruz. Yani bu iki bileşiği de içeren alaşımlar çok daha kuvvetli bir inceltici etki ortaya çıkartabiliyorlar . Bu alaşımların dışında, tane inceltme amacıyla zaman zaman TiC içeren alaşımların kullanıldığını da görebiliyoruz.
Bu tane incelticilerin kullanımıyla ilgili bilinmesi gereken sorunlardan bir tanesi, tane inceltici etkinin zamanla geçiyor olması. Diğer bir deyişle, tane inceltici malzemeyi sıvı içine ekledikten sonra dilediğimiz kadar bekleme özgürlüğüne sahip değiliz. Mutlaka fazla süre geçirmeden döküme gitmemiz gerekiyor. Bunun nedeni sıvı içine eklenen TiB2 ya da TiC parçacıklarının çözünmesi değil: Bu parçacıklar çözünmeden nispeten uzun bir süre sıvıda kalabiliyorlar. Fakat özellikle TiB2 kullanıldığında, parçacıklar bir süre sonra topaklanma ve dibe çökme eğilimi göstermeye başlıyorlar. TiC kullanıldığında bu eğilim nispeten daha düşük olsa da, yine de topaklanma ve dibe çökmenin bir süre sonra gerçekleştiğini görüyoruz.
Al-Ti-B alaşımları kullanıldığında ortaya çıkan bir diğer sorun ise, alüminyum içinde zirkonyum bulunduğunda ortaya çıkıyor. Zirkonyum bir tür “zehirleme” etkisi yaratarak, tane incelticinin etki göstermesini engelliyor. Teknik literatürde yayımlanan araştırmalara göz attığımızda, bu “zehirlenme” etkisinin ardında zirkonyumun titanyum ile yer değiştirerek, tane inceltici etki ortaya çıkarması beklenen parçacıkların yapısında bir modifikasyona yol açması yattığını görüyoruz.
Bu geleneksel yöntemlerden farklı olarak, ses dalgalarıyla (ultrason) ve elektromanyetik dalgalarla da tane inceltici etki elde edilebildiğini gösteren bazı araştırmalar teknik literatürde bulunuyor.

Yüksek alaşımlı beyaz dökme demirler

Bu yazıda, önceki haftalarda nispeten ihmal ettiğimiz yüksek alaşımlı beyaz dökme demir türleri üzerinde duracağız. Beyaz dökme demirin yapısına aşina olmayan ve ayrıntılı bilgi isteyen okurlarımız, daha önce yayımlanan bu yazıdan bilgi alabilirler. Fakat bu uzun yazı için zamanı olmayan ve kısa bir özetin yeterli olacağını düşünen okurlarımız için, beyaz dökme demirlerde karbonun grafit halinde ayrışmadığını ve tıpkı çeliklerde olduğu gibi yapıda çözünmüş durumda kaldığını söyleyerek başlayabiliriz. Grafit ayrışması gerçekleşemediği için, beyaz dökme demirlerde karbon atomlarının, sementit adı da verilen demir karbür parçacıkları içinde yer aldıklarını görüyoruz. Oldukça sert bir yapı sergileyen sementit fazı nedeniyle beyaz dökme demirler, yüksek aşınma direnci istenen uygulamalarda öne çıkıyor.

Yüksek alaşımlı beyaz dökme demirler

Yüksek alaşımlı beyaz dökme demirlerin ardındaki temel düşünce, zaten yüksek aşınma direncine sahip olan beyaz dökme demirlerin aşınma direncini daha da arttırmak. Sıradan bir beyaz dökme demir alaşımı yaklaşık 350 – 550 HB aralığında sertlik değerleri verirken, yüksek alaşımlı beyaz dökme demirlerde 450 – 800 HB gibi bir aralıkta sertlik değerleri elde edilebiliyor. Bu da, üretilen malzemenin çok daha yüksek bir aşınma direnci sergileyebileceği anlamına geliyor.
Yukarıda beyaz dökme demirlerin kısa bir tanımını yaparken, malzemeye sertliğini veren fazın sementit adı verilen demir karbür parçacıkları olduğunu söylemiştik. Bu eksende düşündüğümüzde, beyaz dökme demirin sertliğini daha da arttırmak istediğimizde, daha sert ve daha fazla miktarda karbür parçacıklarına ihtiyaç duyacağımızı anlayabiliyoruz. Bu parçacıkları elde edebilmek için, dökme demir içine krom gibi oldukça kuvvetli karbür yapıcı elementler ekliyoruz. Katılaşma sürecinde oluşan ve hacimsel olarak geniş bir yer kaplayan birincil ve ötektik karbür parçacıkları, dökme demirin çok daha sert bir yapı sergilemesini sağlıyor. Ayrıca malzeme içinde krom bulunması, dökme demirin sertliğini arttırırken, aynı zamanda korozyon direncini de arttıran bir etki ortaya çıkartıyor.
Bu noktada, üretilen bu malzemenin mekanik özelliklerinin sadece karbür parçacıklarına değil, aynı zamanda bu parçacıkları çevreleyen matrise de bağlı olduğunu vurgulamamız lazım. Eğer tüm yapı sadece sert ve aynı zamanda kırılgan bu karbür parçacıklarından oluşsaydı, o zaman ister istemez ürettiğimiz beyaz dökme demirin de oldukça kırılgan bir yapı sergilediğini görürdük. Fakat bu parçacıkları çevreleyen ve metalürji terminolojisinde matris adı verilen faz nispeten sünek bir yapıya sahip olduğu için, ürettiğimiz beyaz dökme demir parçanın sertlik yanında, aynı zamanda belli bir tokluğa da sahip olduğunu görüyoruz. Bu özellik sayesinde kırıcı çene gibi darbeli uygulamalarda, malzemenin kırılmaya karşı bir direnç sergilemesini sağlayabiliyoruz.
Yüksek aşınma direncine sahip bu beyaz dökme demirlerin mekanik değerleri ve kompozisyonları hakkında belirlenen standartlara ulaşmak isteyen okuyucularımızın ASTM A 532  standardından bilgi alabileceklerini hatırlatalım.
Şimdi bu genel girişin ardından, sanayide en sık üretilen iki tür yüksek alaşımlı beyaz dökme demire biraz daha yakından bakalım.

Yüksek kromlu beyaz dökme demirler

Krom, oldukça kuvvetli bir karbür yapıcı element olduğu için, yavaş soğuyan parçalarda bile beyaz dökme demir yapısının ortaya çıkmasını sağlayabiliyor. Diğer bir deyişle, yüksek krom takviyesiye hazırlanan alaşımlarda hızlı soğuma gereksinimi ortadan kalktığı için, 10 ton gibi yüksek ağırlığa sahip parçaların bile, tamamen beyaz yapı sergileyecek şekilde dökülmesini sağlayabiliyoruz. Yapılarında bulunan birincil ve ötektik karbür parçacıkları sayesinde, bu dökme demirlerin oldukça yüksek aşınma direnci sergilediklerini görüyoruz. Eğer sertlik yanında, parçanın tokluğunun da yüksek olması isteniyorsa, o zaman bu parçacıkların hacimsel oranı da önem kazanıyor. Tahmin edebileceğiniz üzere bu parçacıkların hacimsel oranı ile malzemenin tokluğu arasında ters bir ilişki olduğunu görüyoruz. Hacimsel orana ek olarak, karbür parçacıklarının boyut dağılımı, parçacıkların biçimsel özellikleri ve parçacıklar arasındaki ortalama mesafe de, malzemenin tokluğuna etki eden diğer parametreler olarak karşımıza çıkıyor.
Karbür parçacıklarına ek olarak, parçaya ısıl işlem uygulayarak da belli bir miktar tokluk kazanmasını sağlayabiliyoruz. Tabii burada ısıl işlemi karbür parçacıklarının yapısını değiştirmek için değil, karbür parçacıklarını çevreleyen matris yapısı ile oynamak için uyguladığımızı vurgulamamız lazım.

Nikel-kromlu beyaz dökme demirler

Sanayide Ni-hard adıyla da bilinen bu dökme demirler, özellikle kırıcı ve öğütücü parçalarda uzun bir süredir kullanılıyor. Yukarıda bahsettiğimiz karbür yapıcı kroma ek olarak, bu dökme demirler aynı zamanda bir miktar nikel de içeriyorlar. Dökme demir içinde %3 – %5 oranında bulunan nikel, yüksek sıcaklıklık fazı olan östenitin perlite dönüşmesini engelliyor. Bu şekilde, hızlı bir soğutmayla östenit yapısının oldukça sert bir faz olan martensite dönüşmesini sağlayabiliyoruz. Herhangi bir yanlış anlaşılma olmasının önüne geçmek için tekrar vurgulamamızda fayda olabilir: Burada karbür parçacıklarına dair bir dönüşümden değil, karbür parçacıklarını çevreleyen matrisin yapısına dair dönüşümlerden bahsediyoruz.
Yukarıda anlatılanlardan anlaşılabileceği üzere, beyaz dökme demire sertliğini karbür parçacıkları veriyor. Bu karbür parçacıkları da hem demir ve karbon, hem de krom ve karbon arasında oluştuğu için, aşınma direncini arttırmak için %1,5 – %4 arası kroma ek olarak, karbon miktarının da %3,5 civarında tutulması gerekebiliyor. Eğer malzemenin tokluğunun da yüksek olması gerekiyorsa, o zaman karbon miktarını %2,7 civarına çekmek durumunda kalıyoruz.
ASTM A 532 standardına göre dökme demire en fazla %1,3 oranında eklenen mangan, bir yandan perlit oluşumunu engellediği gibi, aynı zamanda östenit stabilize edici bir etki de ortaya çıkartıyor. Bu nedenle manganın nispeten yüksek olması durumunda, ısıl işlem sonrasında yapıda kalıntı östenit miktarının arttığını, buna bağlı olarak sertliğin de nispeten daha düşük seviyelerde kaldığını görüyoruz. Silisyum ise, hem sıvı akışkanlığını arttırdığı, hem de martensit oluşumuna katkıda bulunduğu için, yüksek alaşımlı dökme demirlere %1 ila %1,5 arasında ekleniyor.
Her ne kadar biraz uzun bir yazı olmuş olsa da, bu yazıda yüksek alaşımlı beyaz dökme demirler hakkında sadece kaba bir değerlendirme yapabildik. Önümüzdeki haftalarda, bu malzemenin ısıl işlemi üzerinde daha ayrıntılı olarak duracağız.

Alüminyum-silisyum alaşımlarının ötektik modifikasyonu

Geçtiğimiz haftalarda Dökümhane sitesinde sadece dökme demirlere değil, alüminyum alaşımlarının dökümüne de yer vereceğimizi belirtmiştik. Bu hafta, sanayide en çok dökülen alüminyum alaşımı olarak nitelendirebileceğimiz alüminyum-silisyum (Al-Si) alaşımların özelliklerini önemli ölçüde etkileyen bir element üzerinde duracağız: Stronsiyum (Sr).

Oldukça hafif bir malzeme olması nedeniyle alüminyum alaşımları otomotiv ve özellikle havacılık sektöründe gittikçe artan miktarda kullanım alanı buluyor. Tabii bu tür uygulamalarda kullanılabilmesi için bir malzemenin sadece hafif olması yetmiyor: aynı zamanda uygulamanın gereksinimlerini karşılayabilecek mekanik özellikleri de sergileyebilmesi gerekiyor. İşte bu yazıda üzerde duracağımız stronsiyum, Al-Si alaşımlarının mikroyapısını, bunun sonucu olarak da mekanik özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilen bir element. Konunun ayrıntısına girmeden önce, ilk olarak Sr’nin nasıl bir etki ortaya çıkardığına bakalım.

Yukarıda (A) ile gösterilen soldaki resimde %10 oranında silisyum içeren, ötektik altı bir Al-Si alaşımının mikroyapısı gösteriliyor. Açık renkli ve birbirine bağlı görünen yapılar, α-Al olarak tanımladığımız alüminyum dendritlerinin kesitleri. Bu dendritler arasında kalan ve iğnemsi olarak görünen koyu renkli yapı ise, ötektik reaksiyon sonucunda ortaya çıkan silisyum tabakaları. Tabaka yapısındaki bu silisyum parçaları, kesilip parlatılmış bir yüzey üzerinde yukarıdaki resimde olduğu gibi iğnemsi bir yapıda görünüyorlar. Yukarıda (B) ile gösterilen sağdaki resimde ise, 200 ppm oranında Sr takviyesinin aynı alaşımda yarattığı değişim gösteriliyor. Dikkat ederseniz α-Al dendritleri üzerinde önemli bir etki göze çarpmamasına rağmen, ötektik silisyum tabakaları çok daha incelmiş ve tabakadan ziyade elyafımsı bir yapıda ortaya çıkmış durumdalar.

Al-Si alaşımlarında Sr’nin etkisini bu fotoğraflar üzerinde tekrar bir özetleyelim: Döküm öncesinde sıvı alaşıma eklenen eser miktarda Sr, ötektik silisyum tabakalarının ince elyaf yapısına kavuşmalarına yol açıyor. Hem malzemenin dayancını, hem de sünekliğini olumsuz şekilde etkileyen bu sert Si tabakaları Sr sayesinde ince fiber yapısında ortaya çıkınca, ister istemez malzemenin hem dayancında, hem de sünekliğinde önemli bir artış elde ediyoruz.

Bu tür bir etki sadece Sr ile değil, sodyum (Na) ya da antimon (Sb) gibi elementlerle, ya da soğuma hızını arttırarak da elde edilebiliyor. Fakat kokil ve basınçlı dökümde soğuma hızı üzerinde önemli bir kontrol şansı olmaması ve eser miktarda Sr’nin bu etkiyi ortaya çıkartabilmesi nedeniyle, sanayide bu amaçla yaygın şekilde Sr’nin tercih edildiğini görüyoruz. Aynı zamanda Sr’nin modifiye edici etkisinin sodyuma göre daha uzun sürmesi de, bu elementin tercih edilme nedenlerinden bir diğeri.

Ötektik üstü alaşımlarda modifikasyon

Yukarıdaki mikroyapı fotoğrafları, katılaşmanın α-Al dendritleriyle başladığı ötektik altı alaşımların genel durumunu temsil ediyor. Tabii bu noktada, bu alaşımlara aşinalığı olan birçok kişinin aklına, ötektik üstü alaşımlarda ortaya çıkan birincil silisyum parçacıklarının bu modifikasyondan nasıl etkileneceği sorusu geliyor olabilir. Stronsiyum, bu birincil silisyum parçacıklarının boyutları üzerinde de bir incelme etkisi yaratıyor. Fakat bu parçacıkların özellikle inceltilmek istenildiği durumlarda, stronsiyuma ek olarak, alaşım içine bir miktar fosfor da ekleniyor. Teknik literatürde sunulan çeşitli çalışmalarda, birincil silisyum parçacıklarının AlP üzerinde çekirdeklendiğine dair bulgular görebiliyoruz. Bu nedenle stronsiyuma ek olarak az miktarda fosfor da kullanılması, bu büyük silisyum parçacıklarının hem incelmelerini, hem de yapıda daha homojen bir şekilde dağılmalarını sağlayabiliyor.