Genel küresel gragitli dökme demir ve otomobil alanında uygulaması 1 BÖLÜM I DÖKME DEMİRLER Dökme demirler esas olarak Fe-C (demir-karbon) alaşımlarıdır. Karbon oranı dökme demirlerde %2 - %6.67 arasında değişebilir. Fakat fazla miktarda ki karbon aşırı gevrekliğe yol açtığı için pratikte %2.5 - %4 arasında değişiklik gösterirler. Karbon saf demirin ergime sıcaklığını 400°C düşürür ve alaşıma ayrıca çok iyi dökme kabiliyeti sağlar. Dökme demirler gevrek malzemelerdir. Gerek sıcak gerek soğuk koşullarda şekillendirilmesi mümkün değildir. Onun için yanlızca döküm halinde kullanılırlar. Dökme demirler bünyelerinde bulunan yapı elemanlarının cins, şekil, ve dağılımlarına göre sınıflandırılırlar. Döküm mikro yapısına göre 4 sınıfta toplanırlar. 1- Gri dökme demir. 2- Küresel grafitli dökme demir. 3- Beyaz dökme demir. 4- Temper dökme demir. 1.1. GRİ DÖKME DEMİR Karbon oranı %2,5 - %4 ve silisyum oranı %1 - %3’e kadar değişir. Grafit partikülleri şekil itibarıyla kurumuş ve kırışmış yapraklara benzer. Matris perlit, perlit- ferrit yada ferrittir. Grafitin morfolojisi nedeniyle gri dökme demirler çekme yükleri altında zayıf ve gevrek malzemelerdir. Bunun nedeni grafit partiküllerinin sivri köşeli oluşları ve gerilimi önemli oranda yoğunlaştırmasıdır. Buna karşılık basma mukavemetleri iyidir, 2 en önemli özelliklerinden biri vibrasyon(titreşim) enerjisini soğurmalarıdır. Gri dökme demirlerin akışkanlıkları çok iyidir. İnce kesitlerde uygunluğu iyidir ve tercih edilir. Ayrıca metalik malzemelerin en ucuzudur. Aşınma direnci yüksektir. İstenildiğinde ısıl işlemlerle matriks yapıyı değiştirmek mümkündür. Şekil 1.1. Gri dökme demir mikro yapısı 1.2. BEYAZ DÖKME DEMİR Karbonun tamamı bileşik sementit (Fe 3 C) halindedir. Hızlı soğuma ile elde edilir. Ötektik altı alaşımlardır. Tipik beyaz dökme demir mikroyapısı sementit ve perlitten oluşmaktadır. Sementit sert ve gevrek bir bileşiktir. Beyaz dökme demirlerde önemli oranda sementit sert ve gevrek bir bileşiktir. Yapısındaki sementitten dolayı sert ve aşınmaya dirençlidir. Ayrıca sünekliği düşüktür. Bu yüzden mühendislik alanında uygulamaları sınırlıdır. 3 1.3. TEMPER DÖKME DEMİR Karbonun tamamı veya önemli bir miktarı temper karbonu olarak bilinen düzensiz rozetler şeklindedir. Beyaz dökme demirin ısıl işlemi ile elde edilir. Beyaz dökme demir, uygun sıcaklıklara kadar ısıtılarak yapısında bulunan sementit ve perlit parçalanır. Böylece serbest hale geçen karbon çok yavaş soğuma şartları altında rozet şeklini alır ve temper karbonu oluşturu. Temper dökme demirin iki türü vardır: (i) Ferrtitik, (ii) Perlitik. Ticari uygulamada temper dökme demir denince akla ferritik dökme demir gelir. Ferritik dökme demirde beyaz temper döküm ve siyah temper döküm olmak üzere iki grupta toplanır. Beyaz temper dökme demir Avrupa’da üretilir ve temper karbonun oluşumu farklıdır; kimyasal bileşim ve üretim yönteminden ötürü biraz bileşik karbon içerir. Perlitik temper dökümler de bileşik karbon içerirler, bu yüzden ferritik temper dökümlerden daha yüksek mukavemet ve süneklik gösterirler. Şekil 1.3. Temper dökme demir mikroyapısı. 4 BÖLÜM II KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİR 2.1. KGDD’NİN KULLANIMI, ÖZELLİKLERİ VE NORMLARI 40 yıllık bir tarihsel geçmişe sahip olan KGDD iyi dökülebirliği , yanında özellikleri çeliğe yakın olması nedeniyle bugün demir bazlı döküm malzemelerinin en önemlisi haline gelmiştir. Devamlı artan ve bu gidişatın önümüzdeki yıllarda da devamı muhtemel görülüyor. KGDD’in üretimindeki bu kuvvetli artışın nedeni üretimi ile ilgili çok geniş çalışmların olmasıdır. Bugün KGDD, 1. Otomotiv endüstrisi, 2. Tarım makinaları, 3. Makine yapımı, 4. Harfiyat makinaları 5. Karayolu köprü ekipmanları 6. Su boru hatları, pompa, armatür parçaları 7. Merdaneler 8. Kimya petrokimya vb. 5 Kullanış yerlerine tek tek örnekler verecek olursak binlercesini saymamız gerekir. KGDD’lerle ilgili normlar ve bu normların kaşılaştırmalarını tablo 2.1. vermektedir. TS 526 da normlaştırılan KGDD’ler 7 gurupta toplanmakta olup, yine diğer ülke normları karşılıkları bu tabloda görülebilir. Tablo 2.1. Çeşitli ülke KGDD normlarının karşılaştırması ve özellikleri. 6 Tablo 2.2. Türk standartlarına göre küresel grafitli dökme demirlerin sınıflandırılması. Tablo 2.3.. Alan standartları (DIN 1963) 7 Tablo 2.4. Uluslararası ISO R 1083 Tablo 2.5. ASTM A 536-70. 8 DIN 1693 standartlarına göre östenitik KGDD’ler hariç diğer bütün KGDD’ler 5 ayrı kalite sınıfı ve 3 ana grupta belirlenmiştir. (Tablo 2.3.) 1.Grup Ferritik ana doku GGG 38, GGG42 2.Grup Ferritik-Perlitik ana doku GGG 50, GGG 60 3.Grup Perlitik ana doku GGG 70, GGG 80 1.Sınıf: Çok yumuşak küresel grafitli dökme demirlerdir. Matriks ferritiktir ve tavlama ısıl işlemi ile üretilir. Minimum akma mukavemeti 25 Kg/mm² ve minimum uzaması %15 dir. 2.Sınıf: Çoğunluğu ferrit olan perlit ve ferritten meydana gelen matriks yapıya sahip yumuşak küresel grafitli dökme demirlerdir. Kural olarak döküm halinde kullanılırlar. Minimum akla mukavemeti 32 Kg/mm² ve minimum uzama %8 dir. 3.Sınıf: Matriks perlit ve ferritten meydana gelir. Hakim yapı perlittir. Genellikle döküm halinde kullanılan bu tip küresel grafitli dökme demirlerde minimum akma mukavemeti 42 Kg/mm² dir. 4. Sınıf: Yüksek mukavemetli küresel grafitli dökme demirlerdir. Matriks yapının perlitik olduğu bu demirler alaşım veya ısıl işlemle üretilir. Minimum akma mukavemeti 50 Kg/mm² dir. 5. Sınıf: Çok yüksek mukavemetli küresel grafitli dökme demirlerdir. Matriks, beynit veya temperlenmiş martensittir. Alaşım elementi veya ısıl işlemlerle üretilirler. Minimum akma mukavemeti 64 Kg/mm² dir. Küresel grafitli dökme demirler için değişik ülkelerde farklı standartlar kullanılabilmektedir. Alman DIN standardında küresel grafitli dökme demirlerin sınıflandırılışı TSE’deki gibidir. Ancak işareti GGG olarak verilmektedir.(Tablo 2.3.) Uluslar arası ISO R 1083 standardında ise minimum çekme mukavemeti ve minimum % uzamayı gösteren rakamlar sınıflandırma işareti olarak kullanılmaktadır. (Tablo 2.4.) 9 2.2. KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLERİN ÇEŞİTLERİ Daha önce de belirtildiği gibi küresel grafitli dökme demirlerde gerek döküm işlemi sırasında gerekse sonradan uygulanan ısıl işlemler ile farkı içyapılara sahip KGDD’ler elde edilebilmektedir. Bu içyapılar KGDD’lerin sınıflandırılmasında Kullanılmaktadır. Tablo 2.6. KGDD’lerin çeşitleri ve mikroyapısı 2.2.1. Ferritik Küresel Grafitli Dökme Demir Ferrit, matris yapısı içerisine dağılmış grafit kürecikleri, dökme demire iyi bir süneklik ve darbe direnci ile birlikte düşük karbonlu çeliklere eşdeğer bir çekme ve akma mukavemeti sağlar. Ferritik KGDD elde etmek için üç yol vardır: Sıvı dökme demire, ağırlığına göre uygun miktarda magnezyum alaşımı katmak; perlitik küresel grafitli dökme demire ısıl işlem uygulamak ve sıvı küresel grafitli dökme demirin katılaşmasını çok yavaş bir şekilde yapmak. Ferritik KGDD döküm yoluyla elde edilebilir ancak sertleştirme tavlaması ile maksimum süneklik ve düşük sıcaklık tokluğuna sahip olması sağlanabilir. 10 2.2.2. Ferritik – Perlitik Küresel Grafitli Dökme Demir Bu tip malzemeler en yaygın küresel grafitli malzeme çeşididir ve genellikle doğrudan döküm yoluyla elde edilir. Grafit kürecikleri hem ferrit hem de perlit içeren matris yapı içerisine dağılmış olarak bulunur. Mekanik özellikleri perlitik ve ferritik küresel grafitli dökme demirlerin arasındadır. İşlenebilirliği iyidir ve üretim maliyetleri düşüktür. 2.2.3. Perlitik Küresel Grafitli Dökme Demir Perlit matris yapısı içerisinde bulunan grafit kürecikleri dökme demire, yüksek mukavemet, iyi aşınma direnci ve ortalama süneklik ve darbe direnci kazandırır. İşlenebilirlik ise benzer mekanik özelliklere sahip çeliklere göre oldukça üstündür. Yukarı da belirtilen üç grup KGDD en yaygın olanlarıdır ve genellikle döküm yoluyla elde edilir. Bunların dışında ısıl işlemler yoluyla farklı iç yapılara sahip küresel grafitli dökme demirler elde edilebilmektedir. 2.2.4. Martenzitik Küresel Grafitli Dökme Demir Bu cins KGDD’de perlit oluşumunu önlemek için yeterince alaşım elementi ilavesi yapılır veya su verme + temperleme ısıl işlemi uygulanır. Isıl işlem sonucunda oluşan temperlenmiş martenzit yapısı yüksek statik dayanım ve aşınma direnci yanında düşük süneklik ve tokluk sağlar. 2.2.5. Beynitik Küresel Grafitli Dökme Demir Küresel grafitli dökme demirin bu cinsi alaşımlama ve / veya ısıl işlem uygulanarak elde edilen sert ve aşınma dirençli bir malzemedir. 11 2.2.6. Östenitik Küresel Grafitli Dökme Demir Östenitik matris elde etmek için alaşımlanan bu cins küresel grafitli dökme demir, korozyon ve oksidasyon direnci, üstün manyetik özellikler, statik dayanım ve yüksek sıcaklıklarda boyutsal değişimin kararlı olmasını sağlar. Matris ostenitten ve az miktarda perlitten oluşur. Grafitler küresel şekillerini bir miktar kaybederler. Genellikle yüksek miktarda Ni ihtiva eder. 2.2.7. Ostemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demir (OKGDD) Küresel grafitli dökme demir ailesine en son katılan ostemperlenmiş KGDD geleneksel KGDD’e özel bir ostemperleme ısıl işlemi uygulayarak elde edilir. Bu cins düşük maliyet, tasarım esnekliği, talaşlı işlenebilirlik, yüksek dayanım/ağırlık oranı , tokluk, aşınma direnci ve yorulma dayanımlarına sahiptir. Herhangi bir cins KGDD’e östemperleme ısıl işlemi uygulanarak OKGDD elde edilebilir. Tablo 2.7. Farklı küresel grafitli dökme demirlere ait içyapı resimleri ve çekme mukavemeti değerleri (Ductile Iron Data 1998) 12 Tablo 2.8. KGDD’in mekanik özelliklerinin diğer dökme demirlere kıyası 13 BÖLÜM III KGDD’NİN METALURJİK TEMEL BİLGİLERİ “Demir basit bir metal olmasına rağmen, onda binlerce sır saklıdır.” Joseph Glauville’nin 300 yıl önce söylediği bu sözler, bütün inceleme ve araştırmalara rağmen bugün içinde geçerlidir. KGDD demir bazında yüksek karbonlu, grafitin küresel bir biçimde varolduğu bir alaşım olarak tarif edilebilir (Şekil 3.) Şekil 3. Küresel Grafitli Dökme Demir Mikro-Yapısı 14 3.1 KÜRESEL GRAFİT Malzeme bünyesinde, bir miktar kalıcı magnezyum mevcut olduğu zaman grafitler küresel şeklini alırlar. Dokusu içerisindeki grafitleri küresel şekilde olan demir-karbon döküm malzemesine “Küresel grafitli dökme demir” ismi verilir. Küresel dökme demirin mukavemeti ve % kopma uzaması kır dökme demirden çok daha üstündür. 3.2. KÜRESEL GRAFİT OLUŞUMUNUN SEBEPLERİ Malzeme bünyesinde mevcut bir miktar kalıcı magnezyumun grafitleri küresel şekilde teşekkül ettirmesinin sebepleri bugün tam olarak henüz aydınlanamamıştır. Küresel grafit oluşumunu izah eden çeşitli hipotezler mevcuttur. Kısaca şu denilebilir, kükürt azalması veya grafit billurlarının yüzey gerilimlerinin artması veya sıvı metalde mevcut magnezyum atomlarının grafit kafesleri arasına yayınarak grafit düzlemlerinin yayılmasını önlemesi neticelerinde küresel grafitlerin oluştuğu düşünülebilir. 3.3. KARBÜR OLUŞUMU Normal dökme demir yapısında rastlanan grafitler yalnız küresel veya levhalar şeklinde teşekkül etmez. Bir demir-karbon bileşimi olan sementit (demir karbür Fe3C) bazı şartların tesiri altında husule gelir. Böyle bir dökme demire beyaz dökme demir denir. Aynı zamanda grafitli ve karbürlü strüktür karışımı olarak da katılaşma olabilir. 15 3.4. MİKRO – YAPININ KONTROLÜ Kullanma yerine bağlı olarak mevcut mikroskobik yapılardan birinin seçilmesi ve kullanılması gerekir. Bu sebeple, hangi şartların tamamen grafitli, tamamen karbürlü veya karışık yapılı bünyeler husule getireceğinin bilinmesi gerekir. Normal bir dökme demir katılaşmaya başlayınca grafit-karbür dengesi üç temel faktörün bileşik tesiri altındadır. 1- Soğuma hızı, 2- Kimyasal kompozisyon 3- Sıvı metalin fiziksel durumu 3.4.1. Soğuma hızının etkisi Küresel dökmenin katılaşma hızı arttıkça fazla karbür ihtiva etme ihtimali de artar. Eriyik metalin kimyasal kompozisyonu ve fiziksel durumu sıkı kontrol altında bulundurulmadığı hallerde 13 mm cidar kalınlığına sahip küresel dökme plakalar bile yapısında bir miktar demir karbür teşekkül eder. Cidar kalınlığı bir milimetreden küçük küresel dökme demir plakaları, optimum şartlar altında dahi demir karbürden ibaret bir mikro yapı teşkil edecek şekilde katılaşırlar. 3.4.2. Kimyasal kompozisyonun etkisi Dökümcü dökümün katılaşma hızını lüzumuna göre değiştirme imkanına sahip olduğu gibi malzemeyi belirten yapı bileşenlerinin % miktarını da değiştirmek suretiyle kimyasal kompozisyonu ayarlayabilir. Kimyasal kompozisyonun nasıl kontrol edilebileceğini ileride ki bölümlerde daha ayrıntılı inceleyeceğiz. Yapı birimlerini şimdilik üç sınıfta ayırmak daha makul olur kanısındayım. a) Grafit oluşumunu arttıran yapı bileşenleri, (yumuşatıcı elementler) 16 b) Karbür oluşumunu arttıran yapı bileşenleri, (sertleştirici elementler) c) Yumuşatıcı ve sertleştirici tesirleri çok az olan yapı bileşenleri (nötr elementler) Küresel dökmelerde grafit oluşturan alaşım elemanlarının azalan tesir sırasına göre şöyle sıralayabiliriz.: 1) Karbon, 2) Silisyum, 3) Bakır, 4) Nikel. Karbür teşkil eden en önemli iki element şunlardır: 1) Magnezyum, 2) Manganez. Küresel dökme demirden imal edilen dökümlerde serbest karbür mevcut olmaması arzu edilir. Malzeme içerisine % 1-3 silisyum ilavesi ile demir-karbür oluşumunu önlemek mümkündür. 3.4.3. Sıvı metalin fiziksel durumu Karbür veya grafit teşekkülüne, çekirdeklerin sebep olduğu dahi şüpheler uyandırmaktadır. Çünkü magnezyum ilavesinin önce mevcut fiziksel farklılıkları ortadan kaldırması icap eder. Magnezyum ilavesinden sonra sıvı metal karbür oluşturacak şekilde katılaşır. Malzeme yapısının grafit ihtiva etmesi gerekirse, malzeme içerisine grafitleştirici yapı bileşenlerinin ilave edilmesi gerekir. Bu elementler sıvı metal içerisine aşılanma ile ilave edilir. Aşılayıcı olarak ferro-silisyum briketleri kullanılır. 3.5. SIVI METALİN SOĞUMASININ MALZEME YAPISINA ETKİSİ Mg ile aşılanmış sıvı dökme demir katılaştıktan sonra üç farklı yapı oluşturur. Malzeme yapısı karbürlü, grafitli veya grafit-karbür karışımından ibaret olabilir. Bunun 17 aksine, dökümlerde hararet normal sıcaklığa düştükten sonra döküm yapısında önemli sayıda farklılıklar belirir. Malzeme sıcaklığı düşünce, östenit normal sıcaklıkta mevcut olan asıl ferrit yapıya dönüşür. Bu dönüşüm neticesinde kimyasal kompozisyonda hiçbir değişme meydana gelmez. Bununla beraber, küresel dökme demirde kimyasal değişmeler olagelir. Östenit içerisinde çözülebilen karbon miktarı yaklaşık olarak %1’dir. Diğer traftan karbon ferrit içerisinde yok denecek kadar az çözünür. Bu sebeple östenitin ferrite dönüşümü esnasında %1’e kadar karbon östenitten ayrışır. Ayrışan karbon karbür olarak ortaya çıkar veya mevcut küresel grafitler üzerinde katılaşır. 3.6. PERLİT VE FERRİT Östenit içerisinde çözülen karbonun tamamı küresel grafite dönüşmeye zaman bulursa, ortaya çıkacak malzemenin mikro-yapısı ferritik bir matris ve bu matris içerisinde rastgele dağılmış küresel grafitten ibaret olur. Şekil 3.1.’de ferritik küresel dökmenin mikrokobik yapısı görülmektedir. Birçok hallerde östenitten ayrılan karbon grafitlerin mevcut olduğu mahallere kadar hareket etmeye ve orada katılaşmaya zaman bulamaz. Bu durumlarda, grafitler ince demir levhalar şeklinde oluşur. Bu karbürlü levhalar ferritli matrisin devamlılığını bozarlar. Ferrit ve karbür levhaları devamlı olarak birbirine bitişik oluşur. Böyle bir malzeme yapısına “Perlit” ismi verilir. Şekil 3.2. perlitik bir malzeme yapısını göstermektedir. Çoğu zamanlarda küresel dökme demir matrisi ferrit ve perlit dokulardan ibarettir. 18 Şekil 3.1. Ferritik yapılı KGDD X30 Şekil 3.2. Perlitik yapılı KGDD X600 3.7. MALZEME YAPI DİYAGRAMLARI Şekil 3.3. alaşımsız küresel dökme demirlerde rastlanan değişik yapıları göstermektedir. Eğrilerin pozisyonları değişik olup, kimyasal kompozisyona ve fiziksel şartlara bağlı olarak değişir. Şekil 3.3. Alaşımsız veya düşük alaşımlı KGDD yapılarını gösterir diyagramı 19 I- Ferrit + Grafit II- Ferrit + Perlit + Grafit III- Perlit + Grafit IV- Perlit + Karbür + Grafit V- Perlit + Karbür VI- Östenit + Grafit VII- Östenit + Grafit + Karbür VIII- Östenit + Karbür IX- Likid + Östenit (veya grafit) X- Likid 3.8. GRAFİTİN GENLEŞMESİ Küresel dökme demirin katılaşması esnasında meydana gelen toplam hacimsel değişme pratik yönden kaydedilmeyecek kadar küçüktür. Katı küresel dökmenin özgül ağırlığı katılaşma sıcaklığında bulunan sıvı metalin özgül ağırlığına eşittir, yani 6,8 gr/cm 3 dür. Bu ilginç bir ayrıntıdır. Dökme demirlerin çoğu sıvı halden katı hale geçerken bir miktar büzülme meydana gelir. Çeliklerde bu %10 kadardır. Küresel dökme demir, bünyesinde küresel grafitler ihtiva eden çelik gibi düşünülebilir. Çelik bileşeni büzülmeye maruz kalır. Buna mukabil, grafit önce ayrışır ve sonra katılaşır. Grafitin özgül ağırlığı 2.2 gr/cm 3 dür. Sıvı metal içerisinde çözünmüş %3-4 karbon grafit şeklinde katılaştığı takdirde %9-12 kadar yer işgal eder. 20 BÖLÜM IV KİMYASAL KOMPOZİSYON SEÇİMİ 4.1. GİRİŞ Kimyasal kompozisyonla birlikte, soğuma hızı ve diğer fiziksel şartlar KGDD özelliklerine fazlasıyla tesir eder. Bu sebeple, kimyasal kompozisyon için basit ve genel bir formül bulunamamıştır. Değişik mikro-yapıların ve özelliklerin mevcut olması böyle bir formülün bulunmamasını daha da zorlaştırır. Bütün faktörler sabit tutulursa, kimyasal kompozisyon KGDD özelliklerine üç farklı şekilde etki eder. 1- Döküm kalitesine etkisi, 2- Katılaşma mekanizmasına etkisi, 3- Matris yapısına ve dolayısıyla döküm özelliklerine etkisi. Hatasız dökümlerin elde edilmesinde en önemli rolü kimyasal kompozisyon teşkil eder. Bir dökümün cüruf hataları, karıncalar ve diğer döküm hatarlarını ihtiva etmesi veya bu gibi döküm hatalarını barındırması kimyasal kompozisyona bağlıdır. Bundan başka döküm bünyesinde karbürlü, az karbürlü veya tamamen serbest karbürlü olabilir. Döküm matirisi perlit, ferrit, martensit, beynit veya östenit olabilir. Aynı zamanda döküm yapısı bu yapı karışımlarından birini oluşturur. Bu değişmenin sonucunda farklı fiziksel ve kimyasal özellikler meydana gelir. 21 4.2. KGDD BİLEŞİMİNDEKİ ANA ELEMENTLERİN KONTROLÜ 4.2.1 Karbon Ticari küresel grafitli dökme demirde karbon oranı %3-4 arasında değişir. Ancak arzu edilen karbon genellikle daha dar limitler içindedir. Grafit kürelerin sayısı, karbon yüzdesine doğrudan bağlıdır. Bir başka deyişle karbon yüzdesi arttıkça grafit küre sayısı da artar. Karbon oranındaki artış ayrıca akış kanlık ve beslenme özelliklerini de iyileştirerek dökülebilirlik kabiliyetini arttırır. Karbon ekivalansı 4,3 den daha büyük değeri grafit kürelerin oluş umunu ve büyümesini teşvik eder. Karbon ekivalansı 4,6 dan daha büyük olan bileş imlerde ve 2,64 cm den daha kalın kesitlerde grafit kürelerin döküm parçasının üst yüzeyine doğru yüzmesi (Flotasyon) ve karbon segregasyonuna neden olması doğaldır. 4.2.2 Silisyum Küresel grafitli dökme demirde , silisyum miktarı normal olarak %1,80 ile %2,80 arasındadır. Silisyum miktarı karbon ekivalansını etkilediği için grafitleşme ve karbon segregasyonu üzerinde de önemli rol oynar. Silisyum ötektoid dönüşümde oluşan ferritin oranını ve sertliğini arttırarak dökme demir mukavemetinde de bir artış meydana getirir. Silisyum, daha çok ferro-silisyum olarak, işlem sonunda sıvı metale ilave edildiğinde (aşılama) grafit küre sayısının kontrolü açısından daha etkin olur. 4.2.3 Kükürt Küresel grafitli dökme demir demirde kükürdün en önemli etkisi grafitleri küreleştirmek amacıyla ilave edilen Mg miktarını artırmaktır. Dökme demirde Mg ilavesinden önceki kükürt oranı ergitmedeki uygulamanın ve şarj bileşiminin fonksiyonu olarak değişiklik gösterir. Mg ilavesinden sonraki kükürt oranı yaklaşık %0,015 civarındadır. 22 4.2.4 Fosfor Gri dökme demirde olduğu gibi, küresel grafitli dökme demir de fosfor, “Steadit” olarak bilinen çok kırılgan bileşiğ in oluşumuna yol açar. Fosfor, malzeme tokluk ve sünekliğini kötü yönde etkilediği için, genellikle % 0,05 maksimum değerinde sınırlandırılır. 4.2.5 Mangan Önem sırasında karbon ve silisyumdan sonra yer alan elementtir. Döküm halinde karbürlerin oluşmasını önlemek için mangan oranını kontrol altında tutmak gerekir. Mangan orta dereceli bir karbür oluşturucu etkisi olduğundan, silisyum %Si ve kesit aralığına bağlı olan bir maksimum değerde sınırlanır. Kesit kalınlığı 25 mm veya biraz fazla olan ince dökümlerde, mangan karbür oluşumunu teşvik edici etkisi, artan silisyum miktarı ile karşılanmakta ve bu durum döküm inceldikçe devam etmektedir ; 12 mm kesit kalınlığındaki bir döküm parçası için silisyum oranının %2,5 dan %3,0 ‘e artışı , mangan oranının %0,25 den %~0,35’e artmasına imkan verir. Kalın kesitli döküm parçalarında segregasyon nedeniyle bu tür mangan artışı söz konusu olmaktadır. Mangan tercihli olarak sıvı içerisinde segrege olur. Soğutma ne kadar yavaş olursa bu segregasyon daha çok olacaktır. Ortalama %0,4 Mn içeren alaşımda son katılaşan sıvıdaki Mg oranının %2,5 veya daha fazla olabileceği kanıtlanmıştır. Özellikle, nispeten kalın kesitlerde bu segregasyon silisyum tarafından engellenemez, zira silisyum segregasyonu tam tersinedir. Yani ilk katılaşmada zenginleşir. 4.2.6 Magnezyum Hipo ve hiper ötektik bileşimleri için küresel grafitler elde edilmesinde en çok kullanılan yöntem Magnezyum ilavesidir. Mg ‘dan başka elementler aynı amaçla denenmişse de bunlardan hiç biri yeter derecede uygun olmamıştır. Bu elementler arasında seryum, kalsiyum ve yitriyum sayılabilir. 23 Magnezyum ayrıca ergimiş metal için bir oksijen ve kükürt muhtevası çok yüksek ise önemli miktarda Magnezyum, magnezyum oksit ve sülfürlerin oluş umunda harcanmaktadır. Henüz kesin açıklanamayan bir mekanizma ile magnezyum lamel grafit oluş umunu önleyip, grafit ş eklinin küre olmasını sağlamaktadır. Genel olarak küreleşmenin sağlanması için bileşiminde %0.05 oranında artık magnezyum gerekir. Magnezyum ile muamele esnasında hem asit hem bazik usulle ergitme için, dökme demir sıcaklığı (1538-1566°C) civarında olup, magnezyumun buharlaşma sıcaklığının oldukça üzerindedir. Dolayısıyla sıvı metal ile temas eden magnezyum aniden buharlaşır. Ve uygun şekilde yapılmadığı taktirde reaksiyon çok şiddetli olabilir. Magnezyumun verimi hava ile temas etmeden önce magnezyum buharı n içinden geçerek yükseldiği sıvı demir derinliğine bağlıdır. Dolayısıyla sıvı metalin magnezyum buharı ile yıkandığı süre ve yıkanan derinlik magnezyum verimi açısından önemli olmaktadır. Gerek reaksiyon şiddetini azaltmak gerekse optimum metalürjik şartları (örneğin döküm halinde karbürsüz yapı ) sağlamak için, genellikle magnezyum başka elementlerle alaşımlandırılır. Küreselleştirme işlemi ergitmeyi, yapılıyorsa kükürt gidermeyi, takip eder. Bazı uygulamalarda sıvı metal bir “ön hazırlama” işlemine tabi tutulur. Bu işlemde çeşitli ilaveler kullanılırsa da SIC (silisyum karbür ) ilavesi ile ön hazırlama, küreselleştirme işleminin başarısını arttırmakla, ayrıca döküm yapısında karbür oluş umu meylini de azaltmaktadır. Sıvı metale ilave edilecek magnezyum miktarı ile ilgili bir çok formül geliştirilmiştir . Bunlar arasında en basit ve kullanımı en kolay olanı aşağıda verilmiştir. 24 Bu bağlantıda seçilmesi en zor olan şartlara bağlı oran, magnezyum verimine ait olandır. Bu oran %10-%90 arasında değiştirebileceğinden her uygulayıcı kendi şartlarına ve önceki tecrübelerinin sonuçlarına göre bu oranı saptamak durumundadır. Aşırı magnezyum kullanmanın ekonomik sakıncası yanında, çekilme boşluğunun oluşumuna meyli arttırmak için ve döküm yapısında karbürleri meydana getirmek gibi önemli sakıncaları vardır. Dolayısıyla bileşimde kalması istenen magnezyum oranı ±%0.015 mertebesinde kontrol edilmelidir ki buda bilinen küreselleştirme yöntemleri ile mümkündür. 4.2.7 Diğer Elementler Karbür oluşumunu magnezyum gibi hatta ondan daha kuvvetli elementler Krom, Vanadyum, Bor, Tellüryum ve Molibdendir. Bu elementlerin tavsiye edilen maksimum oranları şunlardır. Cr = %0.05 V = %0.03 B = %0.003 Te = %0.003 Mo = %0.01-0.75 Ancak bu değerler döküm parçasının kesitini göz önüne almayan ortalama değerlerdir. Belirtilen elementlere ilaveten Nikel, Bakı r ilaveleri ile de daha tok, daha mukavemetli, yüksek sıcaklığa ve korozyona direnci daha yüksek alaşımlar elde edilir. Yine Nikel ya da Kurşun ilavesiyle küreselleşme arttırılabilir. 25 BÖLÜM V NASIL ELDE EDİLİR 5.1 GİRİŞ Dökme demir ve çelik üretiminde uygulanan her türlü ergitme yöntemi KGDD üretiminde kullanılır. Bir dökümhanenin planlanmasında, herhangi bir yöntemin uygunluğunun tesbiti yapılırken şu faktörler göz önüne alınmalıdır. 1) Dökümhanenin toplam üretimi , günlük topram üretimi 2) Üretilecek KGDD türü (ferritik , perlitik) 3) Parça analizleri, et kalınlıkları 4) Dökümhanenin günde kaç saat çalışacağı, sıvı metalin sürekliliği 5) KGDD dışında diğer malzemelerin dökülüp dökülmeyeceği 6) Ham maddelerin cins, büyüklük özellikleri 7) Yakıt ve enerji kaynaklarının tercihli olarak ucuzluğu 8) Dökümhanede çalışanların bilgi, beceri ve tecrübe yönünden yatkınlıkları 9) Ana para ve işletme sermayesi. 5.2 ŞARJ MALZEMELERİ KGDD üretiminde kullanılan metalik şarj malzemeleri: a) Ham demir (sfero piki) b) KGDD- devri daim malzeme c) Direkt redüklenmiş demir cevheri veya pelet d) Ferro alaşımlar e) Silisyum karbür İşletme şartlarına bağlı olarak bu yukarıda verilen malzemelerden biri veya bir kaçı 26 şarjı teşkil ederler. Örneğin KGDD segmanlarında şarj asgari %40 sfero piki(Kugra Z- piki) ve %60 devri daim KGDD hurdasından ibaret olup, analiz sınırları: C %3.95 Si 1.1 – 2.2 (ocak analizi, modüle bağlı olarak değişir.) Mn 0.45 max P 0.05 max S 0.015 dir. 5.2.1.Ham Demir Gri dökümün ergitilmesinde şarjın belli bir kısmını oluşturan, ve çoğu kez onsuz düşünülmeyen ham demir’in kullanılmasının çok eskilerde de bilinen nedeni mevcuttur. Ham demir pahalı bir hammadde olmasına rağmen, belirli bir kimyasal analizin erişilmesinde, karbür ihtiva etmeyen bir döküm dokusunun varolmasında iyi etkili bir aşılamanın yapılabilmesinde önemli bir görev üstlenir. KGDD üretiminde kullanılan ham demir, lamel grafitli dökme demirde kullanılan gibi özelliklerin kalıtımı şartlarını yerine getirir. Sadece kimyasal analiz yönünden farklılıklar arz eder. (Tablo 5.2.1.) KGDD’lerin üretiminde kullanılan ham demir özellikleri kimyasal yönden, kükürt ve mangan miktarı düşük olmalıdır. Kükürt miktarı %0.01, mangan ise %0.2 max. Bu şartın yanında ayrıca karbür yapıcı ve stabilleştirici elementlerin hem en düşük miktarda hemde belirli sınırda kalmaları gerekir. Bu nedenle yüksek fırın pikleri KGDD için genellikle uygun özelliklerde değillerdirler. Özellikle yüksek kükürtlü olduklarından bir kükürt giderme işlemi gerektirmekte ve ayrıca KGDD üretiminde bulunmaması gereken elementleri içerirler. 27 Tablo 5.2.1.. F-1 sınıfı sorelmetal KGDD piki ortalama analizi Yüksek saflık ve KGDD üretimi için uygun özelliklerde pik titanyum üretiminin bir yan ürünü olarak Kanada ve Norveç’te elektrik ark ocaklarında üretilmektedir, örneğin sorel piki. İstenmeyen elementleri cüzi miktarda bünyesinde bulunduran ve Avustralya, Brezilyada mevcut olan demir cevherlerinden üretilen pikler KGDD üretiminde kullanılmaktadır. Son yıllarda ülkemizdede bu piklerin kullanım miktarı artmıştır. 5.2.2. Çelik Hurdası KGDD üretiminde şarjın belirlenmesinde çelik hurdası önemli bir malzeme olarak yerini korumaktadır. Çok sayıda araştırma ve incelemenin konusu kullanılan çeşitli çelik hurdalarının üretilen KGDD’in özelliklerine etkisi oluşmktadır. Çelik hurda temininde iyi kalite ana unsur olmalıdır. İyi kalite bir taraftan kimyasal analiz, diğer taraftan şekil, büyüklük özelliklerini kapsar. Çelik hurda mangan miktarı ne kadar az ise, gerekli sfero piki miktarı o denli az olacaktır. Mangan miktarı yanında önemli olan diğer elementlerde göz önünde tutulmalıdır. Hataların nedeni olarak görülen parametlerin fazlalaşması karşısında, çoğu kez üretim bir 28 sorun olur. Bu nedenle yukarıda verilen elementler değişmeyen ve cüzi denebilecek miktarda bulunmalıdır. Soğuk şekillenen saç artıkları kuvvetli bir şekilde paslandıklarından, indüksiyon ocaklarında cüruf miktarının artmasınada neden olurlar. Bütün bu sorunlara rağmen çelik hurdası, hem çok bulunabilirliği, hemde ekonomik oluşu nedeniyle kullanılmaktadır. Çelik hurdasının kullanılmasında ekonomik olarak şu faktörlerin dikkate alınması gerekir: 1) Karbonlaştırma için gerekli masraf nedir? 2) Oksidasyon kaybı ne kadardır? (Pas vb.) 3) Enerji sarfiyatında artış, 4) Ocak astarının hada çabuk aşınması, ve 5) Ergitme kapasitesinde meydana gelecek azalma. Bütün bunlara ilaveten, sfero piki kullanmaksızın üretilen KGDD’in metalürjik hatalı yüzdesinin fazla, kalitenin tutturulmasında daha çok ısıl işlem gerektirdiği ve malzeme faydalanma derecesininde çekinti olgusunun artması nedeni ile daha az olduğu vurgulamak lazımdır. Bu faktörler birer, birer parasal olarak değerlendirildiklerinde çelik hurdası fiyatının hakiki maliyetin tespitinde kabaca %50 daha fazla olarak alınmasının gerekeceğini ortaya koymaktadır. Böylece %50 çelik hurdası, %50 sfero pikinden ibaret olan bir şarjın sadece çelik hurdasından üretilenle karşılaştırılması , bize %5 miktarında daha pahalı olacağını göstermektedir. Bu fark kabullenmesi gereken riskler karşısında, çelik hurdası kullanımının her zaman ekonomik sayılamayacağının kanıtı olmaktadır. Ayrıca bundan önceki kısımlarda vurgulandığı gibi, sadece çelik hurdasının kullanılması belli bir et kalınlığına kadar, 30 mm, ferritik KGDD üretimi mümkün olmaktadır. Bu kalınlığın altında sfero piki kullanımı zorunludur. 29 5.2.3. Direkt Redüklenmiş Demir Cevheri Çok sayıda olmalarına rağmen bazı KGDD üreticileri hat frekanslı indüksiyon ocaklarında az miktarda direkt redüklenmiş demir cevheri kullanımını benimsemiş bulunmaktadırlar. Direkt redüklenmiş demir cevheri veya peletlerin analizlerine örnek olarak şu değerleri verebiliriz.(Tablo 5.2.3.) Görüleceği üzere ilk üç üretim yöntemi sünger demir kimyasal analizleri, eser miktarda karbür yapıcı elementleri bünyelerinde bulundurmakta, fosfor ve özellikle kükürt miktarları KGDD üretimi için ideal büyüklüklerdedir. Karşılaştırıcı incelemeleri, Avrupa fiyatlarında %20 sünger demir şarjı ile %8 nispetinde maliyette bir elverişlilik elde edildiğini ortaya koymaktadır. Tablo 5.2.3. Sünger demirin üretim yöntemleri ve analizleri 30 5.2.4. KGDD- Devri Daim Malzeme KGDD üretiminde kullanılması elzem olan malzeme kendi devri daimdir. Bunun için önemli nedenler mevcuttur. Fiyatı yönünden ele aldığımızda, değeri ortalama şarjı teşkil eden malzemeleri fiyatına eşittir. Bunun yanında devri daim malzeme kullanımı arttıkça, malzeme faydalanma yüzdesi fazlalaşır. 5.2.5. Ferro-Alaşımlar Ve Silisyum Karbür KGDD üretiminde fero alaşımların kullanılması istenenen analize, kullanılan şarj malzemeleri cins ve analizlerine bağlı olarak değişir. Bu malzemelerin kullanılması söz konusu olduğunda kimyasal analizlerinin bilinmesi gerekir. Silisyum karbürün kullanılması ile eriyikte hem silisyum hemde karbon miktarının arzu edilen düzeye getirilmesi yapılır. Fakat esas elverişlilik, eriyiğin metalürjik kalitesinin ön bir aşılama işlemi yapılmışcasında SiC’ün yukarıda belirtildiği gibi çekirdekleşme düzeyini arttırıcı etkisini vurgulamakta ve küreselleştirme işlemi öncesi %0.2 miktarında eriyiğe vermektedir. 31 5.3. KÜKÜRT GİDERME Sıvı dökme demirde kükürt miktarının % 0.02 den az olması gerekir. Kükürt miktarı fazla olursa küreleştirici olarak kullanılan magnezyum, aşağıdaki denklem gereğince Fe S + Mg = Mg S + Fe kükürt ile birleşir. Böylece küreleştirme işlemi gerçekleştirilemez. Kükürt miktarı % 0.002? den az olursa magnezyum, küresel grafiti daha rahat oluşturur. Şu halde, kaliteli küresel grafitli dökme demir yapabilmek için önce alaşımdaki kükürt giderilmelidir. Kükürt giderici olarak en çok soda (Na2 CO3), kireç taşı (CaCO3) ve kalsiyum karbür (Ca2C) kullanılır. Bu arada ayrıca ergitme ocaklarının kükürt emici (absorbe) olmaları istenir. Kükürt giderilmesinde aşağıdaki faktörler göz önüne alınmalıdır: 1) Kükürt giderici malzemenin miktarı, 2) Sıvı metalin kimyasal kompozisyonu, 3) Sıvı metalin sıcaklığı, 4) Döküm potasında kullanılan astarın kompozisyonu ve durumu, 5) Döküm potasına geçen cürufun miktarı, 6) Cürufun baziklik derecesi . 7) Kükürt gidericinin ilavesinde cüruf ile sıvı metalin karıştırılması, 5.3.1. Soda ile Kükürt Giderme Soda ( Na 2 CO 3 ), ucuz olduğundan kükürt gidermede tercih edilir. Potanın dibine, potaya alınacak metal ağırlığının % 1? i kadar soda konur. Ergitilmiş metal 32 pota içine alınır. 3-5 dakika sonra soda, cüruf olarak sıvı metal yüzeyine çıkar. Bundan sonra toz haline getirilmiş kireç taşı, sıvı metal yüzeyine serpilir. Böylece cüruf da kolayca temizlenir. Dökme demirde kükürt, mangan sülfür ( MnS ) ve demir sülfür ( FeS ) karışımı halinde bulunur. Soda katılmasıyla bu sülfürler ayrışarak mangan oksidi ( MnO ), demir oksidi ( FeO) ve sodyum sülfürü ( Na2S ) meydana getirirler. Soda ile kükürt giderilmesinde meydana gelen kimyasal reaksiyonların denklemlerini aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür. 1. Na2O + FeO.SiO2 + C = Na2 Si O3 + CO + Fe 2. 2Na2O + 2MnS = 2Na2S + 2 Mn O 2Na2O + 2 FeS = 2Na2S + 2Fe O 3. Na2S + FeO.SiO2 + 2Mn O = 2Na2Si O3 + Fe + 2Mn + SO2 4. Na2S + FeO.SiO2 = 2Na2Si O3 + FeS Sıvı metal içerisinde sodyum oksit ( Na2O ) olduğu müddetçe 1 ve 2 nolu denklemlerle belirtilen reaksiyonlar devam eder. Bu 3 nolu denklem ile gösterilen reaksiyon ile devam eder. Yalnız cüruf sıcaklığı düştükçe reaksiyonun şiddeti azalır. 4 nolu denklemle österilen reaksiyon, geri dönme reaksiyonudur. Metal sıcaklığı düştükçe bu reaksiyonun hızı artar. 5.3.2. Kireçtaşı ile Kükürt Giderme Soda, kükürdün giderilmesinde pota astarlarının yıpranmasına sebep olur. Bu nedenle kireç taşı ile kükürt giderme tekniğine başvurulur. Kireç taşı ısı karşısında parçalanarak kalsiyum oksidi (CaO) ve karbondioksiti (CO2) oluşturur. Kalsiyum oksit ile kükürdün giderilmesi aşağıdaki denklem gereğince olur. FeS + CaO = FeO + CaS 33 5.3.3. Kalsiyum Karbür ile Kükürt Giderme Potaya sıvı metal alınır. İçine bir grafit boru daldırılır. Kalsiyum karbür ( CaC2 ) ile kuru azot gazı (N2) karışımı bu borudan sıvı metal içine basınç altında gönderilir. Kullanılan kalsiyum karbür miktarı, sıvı metalin beher tonu için 4.5 Kg civarındadır. Kalsiyum karbür ile kükürt giderme aşağıdaki denklem gereğince olur. CaC2 + S = CaS + 2C 34 BÖLÜM VI KÜRESELLEŞTİRME 6.1 GİRİŞ Magnezyum, bir atmosfer basınçta 650 °C? de ergir ve 1120 °C? de buharlaşır. Sıvı demir sıcaklıklarında magnezyumun buhar basıncı, normal atmosfer basıncından 10 misli daha büyüktür. Buna ilaveten sıvı demir yüzeyi havaya açık olduğu zaman magnezyum yanarak kaybolur. Yüksek sıcaklıklarda ( 1450 °C? nin üzerinde ) ilave magnezyum da kayıp çok olduğundan, sıvı demir sıcaklığının 1350 °C – 1450 °C arasında tutulması uygun olur. Bu şartlar altında, ilave magnezyumun az bir miktarının sıvı demir içerisine ilave edilmesi bir hayli zor olur. Geçmişte ekonomik ve emniyetli olduğu iddia edilen sayısız magnezyum ilave metotları oluşturulmuştur. 6.2. POTADA KÜRELEŞTİRME YAPMA Magnezyum alaşımları ile küreleştirme işlemi uygun potada yapılmalıdır. Yaklaşık pota boyları şekilde gösterilmiştir. (Şekil 6.2.) Bu işlemde Mg verimi %20-30 arasındadır. 35 Şekil 6.2. Magnezyum ile küreleştirme işlemi için uygun bir döküm potasının çap ve yüksekliği arasındaki bağıntılar 6.2.1. Küreleştirici Gerecin Pota Dibine Konulması Küreleştirici gereç potanın dibine yerleştirilir. Sıvı metal, ilk anda küreleştirici gerecin üstüne gelmeyecek şekilde potanın içine hızla dökülür. Bu yöntemde genellikle, dökme demire göre özgül ağırlığı daha fazla olan küreleştirici gereçler (Ni- Mg, Fe-Ni-Mg) kullanılırsa daha iyi sonuçlar elde edilir. 36 Şekil 6.3. Küreselleştirici gerecin sıvı metale verilmesi 6.2.2. Küreleştirici Gerecin, Potadaki Sıvı Metalin Üstüne Atılması Bu yöntemde de özgül ağırlığı, dökme demirden fazla olan küreleştirici gereçler kullanılır. Potanın derin olması iyi sonuç alınmasını sağlar. Şekil 6.4. Küreleştirici gerecin, potadaki sıvı metalin üstüne atılması 37 6.2.3. Sandviç Yöntemi Bu yöntemde, küreleştirici gereç, potanın dip kısmında özel olarak hazırlanan boşluğa (cep) yerleştirilir. Küreleştirici gerecin üzeri çeşitli gereçlerle örtülür. Potaya doldurulan sıvı metal, bu örtü tabakasını eritinceye kadar, alaşımdaki magnezyum reaksiyona girmemektedir. Sıvı metal, potaya dolduktan sonra örtü gereci ergitmekte ve reaksiyon başlamaktadır. Bu yöntemde küreleştirici gerecin buharlaşması az olduğundan, işlem çok başarılı olmaktadır. Şekil 6.5. Sandviç Yöntem Küreleştirici gerecin üzerini örtmek için çeşitli örtü gereçleri kullanılır. Kullanılan örtü gerecine göre de sandviç yöntemi çeşitli adlar almaktadır. Mg verimi %40-50 arasındadır. 38 6.3. DALDIRMA (PLUNGER) YÖNTEMİ Küreleştirici malzeme, ısıya dayanıklı gereçten veya grafitten yapılan bir hücre (boşluk) içine konur. Sonra bu hücre mekanik olarak sıvı metal içine daldırılır. Saf magnezyum ile yapılan işlemde, magnezyumun buhar basıncı çok yüksek olduğundan potanın üzerine bir kapak ile kapatılmalı veya işlem basınçlı bir ortamda yapılmalıdır. Pota kapağı üzerindeki basınç, mekanik veya pnömatik bir sistem ile sağlanır. Şekil 6.3.1. Daldırma (plunger) yöntemiyle küreleştirme 39 Küreleştirici gereçler (hücre) boşluk içine çeşitli şekillerde konabilir. Bunlar; 1) Küreleştirici saf magnezyum külçe halinde konulur. 2) Küreleştirici gereç, saçtan yapılmış bir kutu içerisine konularak hücre içine yerleştirilir. 3) Küreleştirici gereç, ince saç ile sarılmış olarak hücre içine konulur. 4) Magnezyum emdirilmiş kok kömürü, olduğu gibi veya sac ile sarılmış olarak hücre içine konulur. 5) Saf magnezyum parçaları ısıya dayanıklı gereç ile kaplanarak hücre içine konulur. 6) Saf magnezyum, bir boru içinden basınçlı olarak sıvı metal içine gönderilir. 6.4. ÜFLEME YÖNTEMİ Bu yöntemde küreleştirici; argon ve azot gibi gazlarla pota içindeki sıvı metale pülverize olarak püskürtülür. Bu iş için uygun bir aparat kullanılır. Bu yöntemde, küreleştirici gereç ile beraber sıvı metal içine istenirse kükürt giderici gereçler de püskürtülebilir. Şekil 6.4. Üfleme yönteminin şeması 40 6.5. KALIPTA (INMOLD) YÖNTEMİ Küreleştirme işleminden sonra, sıvı metaldeki magnezyumun zamanla yandığı ve etkisini kaybettiği bir gerçektir. Bu kaybı önlemek için işlemden hemen sonra sıvı metalin kalıplara dökülmesi gerekir. Fakat bu, her zaman mümkün olmayabilir. Bunun için küreleştirme işleminin kalıpta (INMOLD) yapılması denenmiş ve geliştirilmiştir. Özel ölçülerle hazırlanan gereç, yolluk sistemine yerleştirilir. Küreleştirici gereç yolluğa giren sıvı metal ile temas eder ve küreselleştirme içini gerçekleştirir. Bu yöntemin önemli unsurları şunlardır: 1) Temiz, özel kimyasal bileşiminde sıcak, ergimiş metal gereklidir. 2) Ergimiş demir akıntısı ile küreleştirici temasta olmalıdır ve kalıp doluncaya kadar düzenli bir hızda metal akmalıdır, herhangi bir cüruf ve kalıcı malzemeyle kirlenmemesi gerekmektedir. 3) İyi uygulanan inmold yönteminde, küreleGtirme idealdir. Bu yöntemin en önemli avantajları; 4) Magnezyum verimi yüksektir, 5) Geç aşılama yöntemi uygulandığında, hem magnezyum (Mg) kaybı bakımından hem de aşılama etkisi bakımından çok elverişlidir. 6) Karbürsüz, küre sayısı fazla ürünler elde edilebilir. 41 Şekil 6.5. Kalıpta küreleştirme 6.6. KONVENTÖR YÖNTEMİ Alt kısmında delikli özel bir boşluğu (cebi) bulunan konvertör ile küreleştirme işlemi yapılır. İlk önce cep kısmına küreleştirici gereç külçe halinde konulur. Konvertör yatay durumda iken içine sıvı metal konulur. Bu sırada cep kısmındaki küreleştirici gereç sıvı metal seviyesinin üzerindedir. Sonra konverter hızla döndürülür ve sıvı metalin cep kısmına girmesi sağlanır. Böylece işlem tamamlanır. Buraya kadar çeşitli yöntemlerle küreleştirme işleminin nasıl yapıldığı açıklandı. Küreleştirme işleminden sonra önlem alınmazsa alaşımın yapısındaki küresel grafitler, düzensiz bir şekilde katılaşır. Ayrıca grafit küreleri büyük olur. Bu arada karbür oluşumu artar. Bunu önlemek için küreleştirme işleminden hemen sonra sıvı metale aşılayıcı katılır. Aşılayıcı olarak ferro-silisyum (Fe-Si) kullanılır. İlave edilecek ferro –silisyum oranı % 0.50–0.75 arasındadır. Aşılayıcı, potadaki sıvı metal üzerine atılır ve karıştırılır. Aşılayıcı bir seramik boru yardımı ile de sıvı metale karıştırılabilir. Bundan başka aşılayıcı, toz halinde 42 kalıbın yolluk sistemine de yerleştirilebilir. Böylece döküm anında sıvı metale karışmış olur. Ferro-silisyum ilavesinden sonra alaşımın dokusu incelir ve düzgün şekilli küresel grafitler oluşur. Ayrıca karbür oluşumu da azalır. 43 BÖLÜM VII AŞILAMA 7.1. GİRİŞ Mg ilavesinden hemen sonra aşılayıcı madde ilave edilmesi gerekir. Aşılayıcı olarak ferro-silisyum biriketleri kullanılmaktadır. Kullanılan aşılayıcı madde %0.5 ile %0.75 arasında değişir. Ayrıca sıvı demir yüzeyine dökülerek karıştırılır. Aşılayıcı ve Mg alaşımı sıvı demir içerisine daldırılan refrakter borularla da ilave edilebilir. Sıvı demir gerekli Mg miktarını karşıladığı an küresel grafit katılaşması başlayacaktır. Bununla birlikte küresel grafitler gayrı mumtazam bir şekilde katılaşacak ve grafit küreleri büyük olacaktır. Kaide olarak malzeme yapısında fazla miktarda karbür olacaktır. Ham KGDD’i yüksek kaliteli bir KGDD’e dönüştürmek için Mg ilavesinden hemen sonra aşılayıcı maddelerin ilavesi gereklidir. Bu da az miktarda ferro-silisyum veya uygun aşılayıcıların Mg ilavesinden sonra sıvı demire eklenmesi ile temin edilir. Aşılayıcı ilavesi sıvı dökme katılaşması başlamadan önce yapılmalıdır. Aşılayıcı ilavesinde vukua gelen kimyasal ve fiziksel prensipler henüz bilinmemektedir. Ferro-silisyum ilavesinden sonra mikro yapı çok daha incelir. Küçük düzgün şekilli ve sayısız küresel grafitler teşekkül eder. Ayrıca bünyenin karbür ihtiva etmesi azalır. Bu da şu sonucu bize verir; aşılamanın asılda iki amacı vardır. 1) Çekirdek sayısını artırmak 2) Karbür oluşumunu önleyip mekanik özellikleri iyileştirmek. 44 7.2. AŞILAYICI MADDELER Küresel dökmeye ilave edilen aşılayıcıların çoğunu çok bileşenli ferro-silisyum teşkil etmektedir. Diğer aktif aşılayıcılar; Ca, Al, Ba, Sr gibi elementlerdir. Kimyasal bileşim (%) no Si Ca Al Ba Mn Mg NaNO3 Fe 1-1 75 15 1 - - - - Kalan 1-2 63 20 1 5 10 - - Kalan 1-3 63 10 0.75 1 - - - Kalan 1-4 50 0.75 1 - - 1.25 - Kalan 1-5 61 0.5 - - - 1.25 10 kalan Tablo 7.2. Aşılayıcı elementlerin küresel dökmedeki bileşimleri Aşılanma başarısı iki ana faktöre bağlıdır. Bunlar sıvı ve ilave edilen aşılayıcının kalitesi ve miktarıdır. Aşılama maddesi tamamen kuru olmalıdır. Aksi halde döküm yüzeyinde karıncalanma hatasına neden olabilir. Aşılanma maddesinin boyutu, hızlı eriyecek kadar küçük ve hemen oksitlenmeyecek kadar büyük olmalıdır. Sıvı metalden cüruf tamamen arınmış olmalıdır. Aşılanmanın mümkün olan en düşük sıcaklıkta ve en son anda yapılması en uygun sonucu vermektedir. Sıvı dökme demirdeki Si ile aşılayıcılardan gelen Si oranının yapıda önemli bir yeri vardır. Bu oran çok büyükse, yani hiç aşılanma yoksa nodül sayısı düşer ve karbürler oluşur. Bu oran sıfır ise dökümhane pratiklerine dayanarak bu oran seçilmesi gerek. 45 7.3. AŞILAMA YÖNTEMLERİ-PRATİĞİ Aşılama için çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Bunlardan başlıcaları şöyledir: Potada aşılaman, oluk aşılaması, kalıp aşılaması ve sonradan(Post) aşılamadır. Aşılamanın yapılacağı zamanın kaba bir tahmini şöyle yapılabilir: Aşılama ilavesi döküm potasının dibinde 10-15 cm kalınlığında sıvı metal varken yapılır. Böylece hızlı ergime ve sıvı metalle tamamen karışma gerçekleşir. Döküm sıcaklığının iyi ayarlanmasının yanında aşılama sıcaklığının seçiminin de doğru yapılması gereklidir. Şekil 7.3.a Aşılama sıcaklığının nodül sayısına etkisi. 46 Kalıp aşılamasında, bir miktar aşılayıcı döküm yolluğuna yerleştirilir. Aşılama metodlarında en etkin olanı sonradan (Post) aşılamadır. Bu aşılama metodu ile yüksek sayıda grafit merkezi oluşturulur. Böylece dökme demirde aşırı soğuma önlenir. Yüksek nodül sayısının elde edilmesiyle, mikro yapıda bileşik karbon miktarı azalır ve ferrit miktarı artar. Şekil 7.3.b Magnezyum ve aşılamanın mikro-yapıda yaptığı değişim. Etikili olarak kalıpta aşılama Ferro-silisyum ve baryum tuzlarının karışımıyla gerçekleşir. Tüm aşılama alaşımları Al içermektedir. Çünkü Aluminyum, özellikle ince kesitlerde yüzeydeki hidrojen boşluğundan kaynaklanan kusurları önlemektedir. Aşılayıcının boyutları genelde maksimum 13 mm buyutundadır. Toz aşılayıcılar ise aşılamaya etkili olarak katılmadıklarından minimum boyutunun 1.5mm büyük olması istenmektedir. 47 7.4. NODÜL SAYISININ ETKİSİ Nodül sayısı dökme demirin çekirdekleşme derecesini ve ötektik hücre sayısını gösterir. Nodül sayısının tesbitinde 100 büyütme en çok kullanılan ve en yararlı büyütme numarasıdır. Bunun yanında 50 ve 200 büyültmelerde zaman zaman kullanılmaktadır. KGDD’in kalitesini belirleme açısından nodül sayma son derece kolay ve masrafsız bir işlemdir. 100 büyültmede mm 2 ye düşen grafit nodülerinin sayısı olarak alınır. Yüksek nodül sayısı segregasyon eğilimini azalttığından ve çatlak bölgesi olarak bilinen grafitlerin boyutlarının düşmesini sağladığından önem arzeder. Karbür oluşumu ve nodül sayısı birbirleriyle ters orantılıdır. Tablo 7.4. ‘de değişik dökümhanelerde elde edilen tecrübelere dayanılarak bir standart çıkarılmıştır. Tablo 7.4. 1 inç keel blok dökümün mikroyapısı, Si miktarı ve nodül sayısı arasındaki yaklaşık ilişkisi. 48 7.5. KÜRELEŞME DERECESİNİN (NODULARITY) ETKİSİ KGDD’de grafit şeklinin küreden sapması 4 şekilde olmaktadır. a) Patlamış grafit (Exploded) b) Yarı lameller grafit (Quasi-Flake) c) Küçük lamalli grafit (Flake) d) Gelişmemiş grafit (Chunk) Küreselliğin anlamı; KGDD’de arzulanan şekildeki grafitlerin ne miktarda olduğudur. Genelde minimum olarak %90-95 küresellik istenir. Az miktardaki %5 lamel grafit bile mekanik özellikler açısından oldukça zararlıdır. Ve kabul edilmemektedir. İstenmeyen yarı lameller yapının yanında patlamış küre tipinin dökme demirin mekanik özelliklerine zararlı etkisi olmadığı anlaşılmıştır. Özelliklere en çok zararlı olan hücre ara sınırlarında küçük grafit lamelleri ve gelişmemiş grafit partikülleri olan chunk grafit tipleridir. Hücreler arası grafit lamellerinin oluşumuna yol açan elementler, muhtemelen katılaşma sırasında katıdan atılarak sıvıda zenginleşip son katılaşma sırasında katıdan atılarak sıvıda zenginleşip son katılaşan sıvı içinde grafit lamellerinin çökelmesine neden olacak konstrasyona erişmektedirler. Tamamen küre şekilli grafit elde etmek oldukça zordur. Örneğin chunk tipi grafit oluşumuna yardımcı olarak tanınan Si ile hücreler arası lameller oluşumunu teşvik edici olarak bilinen Sn arsındaki ilişki Şekil 7.5. ‘deki gibidir. Aynı şekilde değişik Ti ve Mg ilaveleri ile belli bir bileşimde tamamen küresel grafit elde edilebilir. Grafit şeklinin küresellikten sapması mekanik özelliklerde önemli düşmelere yol açar. KGDD’lerde çekme mukavemeti, süneklik, tokluk, darbe direnci gibi mekanik özellikleri gri dökme demire nazaran daha yüksek olması grafit şeklinin lamel yerine küre olmasındandır. Ani yüklemeler anında grafit, bir çatlak gibi hareket ettiğinden keskin köşelerinde yüksek gerilme konsantrasyonu ihtiva eder. KGDD ise bu 49 konsantrasyonu ihtiva eder. KGDD ise bu konsantrasyon grafitin tüm çevresine yayılır. 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 1,50 2,00 2,50 3,00 Si (%) Şekil 7.5. Grafit şeklini tayin etmede Sn-Si arasındaki (%) denge durumu. 50 BÖLÜM VIII KGDD’NİN KALİTE KONTROL ESASLARI 8.1. GİRİŞ Magnezyum ilavesinden sonra, döküm malzemesinin iyi kalitede olup olmadığının mutlaka tayin edilmesi gerekir. Gerekli tayin neticeleri belli olana kadar dökümler etiketlerini muhafaza etmeli ve hemen tecrübelerde kullanılmak üzere hazır bulundurulmalıdır. Bu olagelmiş metotlarda takip edilmesi gereken en önemli hususlardan biridir. Tecrübeler için gerekli numuneler çok dikkatlice alınmalıdır. Tecrübe için yalnız bir numune yetiryorsa numune döküm potası içinden kalan son sıvı demirden alınmalıdır. Bu numune en kötü yapı ve özellikleri barındırdığından, malzeme kalitesi hakkında çok daha iyi ve emin bilgiler verir. Tecrübeler için kullanılan numuneler farkı boyut ve büyüklüktedirler. Dökülen dökümlerin bir tanesi mümkün olduğu hallerde tecrübe maksatları için kullanılmalıdır. 8.2. GÖZ İLE MUAYENE Göz ile tespit edilecek hatalar kırıklar, yarıklar, çatlaklar, cüruf karışıklıkları, karıncalanmalar, şişme veya büzülmeler, metal nüfuzudur. Bu tip hataların meydana geliş sebeplerini; kalıp ve maça kumlarında, derecelerde, kalıplama ve maçalama tekniğinde ve sıvı metalin kalıp boşluğuna doldurma usulünde aranması gerekir. Hatalı döküm parçaları, ileri muayene usullerine tabi tutulmadan çürüğe çıkarılması lâzımdır. 51 Küresel dökmelerin parça yüzeyinin göz ile muayenesi, kokusunun fakedilmesi pratik değer taşımaz. Neticeler şahsa göre değiştiğinden güvenilir neticeler vermezler en emin gözle muayene metodu, bir döküm parçasının veya numunesinin ısı merkezinden testere ile kesilerek elde edilen taze yüzeyin incelenmesidir. Kesilmiş yüzey üzerinde 1.5 – 6.0 mm çapında gri beneklerin bulunması grafitlerin mevcut olduklarına gösterir. Bu netice de mikroskobik inceleme ile doğrulanmalıdır. 8.3. MİKRO-YAPININ ÇABUK METOTLARLA TAYİN EDİLMESİ Metalografik tecrübelerin çabuk hazırlanması ile dökülen dökümlerin kaliteli küresel dökmeler olup olmadığını anlamak mümkündür. Numune kaba zımparalandıktan sonra mikro-yapı incelenmesine geçilir. Mesul teknisyen, az bir tecrübe ile grafit yapısının yuvarlak olup olmadığını kolayca anlayabilir. Eğer mikroskobik yapı küresel grafitli değilse döküm yapılmaz. Metalografik numunelerin çabuk olarak hazırlanması ve incelenmesi ile küçük grafitli levhaların mevcudiyetini tayin etmek yeterli değildir. Bu sebepten, birçok dökümhaneler aynı malzemeden dökülen numune çubuklarını eğme ve burulma deneyine tabi tutarlar. Bu deneylerden %kopma uzaması tesbit edilir. Bulunan değer istenilen minimum kopma uzamasına eşit veya onu geçerse, gerekli mikro-yapı elde edildiği anlaşılır. Diğer çubuk bir deneyde, soğutulmuş kama ve bloğun incelenmesidir. Bu deney genellikle taşlama ve dağlama ister. Bir hayli tecrübeyi gerektiren bu deneyden, döküm bünyesinin karbür drumu ve grafit yapısı kolayca öğrenilebilir. 52 8.4. METALOGRAFİK MUAYENE Aşılanmış küresel dökmelere ait mikroskobik yapıların incelenmesi çok az ilave zamana ihtiyaç gösterir. Zira , metolografik yapının incelenmesinde kullanılan numuneleri çok kısa zamanda parlatmak, dağlamak ve incelemek kabildir. Bu incelemeden dökmenin matris yapısı, karbür mevcudiyeti ve grafit yapısı öğrenilir. En çok değişmeler grafitli yapıda meydana gelir. Grafit taneleri tamamen küresel şekilde meydana gelmez. Grafit taneleri şekil itibarıyla küreyi andırır. Döküm cidar kalınlığı arttıkça, grafitler daha karışık şekilde oluşur. Karışık şekilli ve görünüşlü grafitlerde, küresel grafitli yapıları olarak kabul edilmektedir. 8.5. KUSURLU GRAFİT YAPILARI Hatalı grafitik yapılar iki ayrı istikamette büyürler. Küresel grafitler fazlasiyla girintili çıkıntılı olabildiği gibi, parçalanmış halde de kendilerini belli ederler. Kusurlu grafit yapıları bir doğrultuda çok fazla bozulma, küresel grafitlerin tamamen ayrışmasına ve çok küçük grafit küreciklerinin teşekkülüne sebep olur. Buna rağmen, metal bünyesinin bazı bölgelerinde çok az miktarda küreseller hala mevcuttur. Grafitler testere ile kesilmiş yüzeyde küçük esmer benekler halinde görüldüğünden grafit tanelerini göz ile incelemek kabildir. Parçalanmış grafitlerin oluşumuna sebep olan faktörler “yavaş soğuma”, fazla karbon ekivalanı, seryum veya diğer toprak metallerinin mevcudiyeti ve nikel miktarının fazla olmalarıdır. Silisyum, karbonun 1/5 i ve nikel 1/17 si kadar metal bünyesinde zararlı olur. Hiperötektik dökme demirlerde, küresel grafitler üst kalıp yüzeyine doğru itilir. Grafit yüzmesinin vukua geldiği böyle bir tabakanın mikroskobik bozuklukları gözlenir. Bu boşluklar bazen mikroskobik numunenin yüzeyinde görülür. 53 8.6. SERTLİK TECRÜBESİ mikroskobik ve matris yapıları hakkında bazı önemli bilgileri malzeme sertlik değerinin ölçülmesinden elde etmek mümkündür. Tecrübelik numunelerin sertlik değerleriyle, dökümün sertlik değerleri arasında bağıntı kurulabilir. Hakiki dökümde sertlik değerlerinin ölçülmesi daha tercih edilmektedir. Küresel dökmenin yüzeysel ve merkezi mikro yapıları arasında farklılıklar mevcuttur. Döküm yüzeyinden yaklaşık olarak 3.0mm derinliğine kadar olan mesafelerde grafitler levhalar şeklinde oluşur. Döküm matrisi farklı yapıda olduğu halde bu dış tabaka ferritik bir yapı arz eder. Güvenilir, sertlik değerleri de döküm dış yüzeyinden 3.0 mm lik bir tabaka alındıktan sonra elde edilir. Sert kabuklu veya demir karbürlü döküm yüzeylerinde bu olaya rastlanmaz. Dolayısıyle döküm yüzeyi hafif taşlandıktan sonra yüzey sertlik değerleri tayin edilir. Tabiatıyla dökümlerin kalite kontrolü yalnız mikro-yapı ile sınırlanmış değildir. Malzemenin ham halden işlenmiş hale gelinceye kadar geçirdiği bütün safhaların kontrol edilmesi gereklidir. 8.7. ASGARÎ KALİTE KONTROL Yapılması gereken asgari kalite kontrolleri aşağıda verilmiştir: o Ham malzemenin göz ile muayenesi. o Ocak şarjının kontrol edilmesi (şarj malzemerin ağırlık hesapları vesaire) o Kalıp sertliği kontrolü o İlave magnezyum miktarının kontrolü o Aşılayıcı miktarının kontrolü o Sıvı metal sıcaklığının kontrolü o Aşılama ile son metali dökme arasında geçen zamanın kontrolü 54 o Mikro yapının kontrolü o Dökümlerin göz ile muayenesi Bu kontroller, küçük bir döküm atölyesinde bile kolayca tatbik edilebilir. 55 BÖLÜM IX DÖKÜM PRATİĞİ 9.1. GİRİŞ Doğru ergitme ve aşılama tekniğinin tatbiki ile istenilen mikro yapı ve malzeme özellikleri elde edilir. İyi bir döküm pratiği kaliteli döküm istihsalini garanti ettiği gibi optimum istihsal ekonomisinin de elde edilmesine yardım eder. 9.2. POTANIN DÖKÜME HAZIRLANMASI Potalar kullanılmadan önce cüruf birikintilerinden temizlenir. Pota içerisinde kalan sıvı maden tamamen alındıktan sonra, pota içerisi iyice temizlenir ve bozulan astar tuğlalar değiştirilir. 9.3. DÖKÜM METOTLARI 1) Kumda döküm: a. yaş kum kalıpları, yaş kumda kalıplama b. kuru kum kalıpları c. maça kumu kalıpları d. çimentonun kullanılması ile imal edilen kum kalıpları e. zayıf veya yağlı balçıklardan elde edilen kalıplar f. kabuk dökümü g. döküm çukurunda ve yerde kalıplama 56 2) Kokil kalıp dökümü 3) Basınçlı kokil kalıp dökümü 4) Santrifüj döküm 5) Alçı ile yapılan döküm 6) Özel döküm metotları; grafit kalıpları,seramik kalıplar. 9.4. KALIP KUMLARI Düzgün satıhlı ve kaliteli dökümlerin istisahli kalpların ve maçaların karakteristiklerine bağlıdır. Kalıp ve maçarlın imalinde değişik kumlar kullanılmaktadır. Kalıp kumlarında aranan özellikleri aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür. o Tane inceliği o Plastiklik o Yapışma kabiliyeti o Gaz-geçirgenlik kabiliyeti o Yüksek ısıya dayanıklılık o Maliyet Düzgün bir döküm yüzeyi iri olmayan ve mütacanis olan kumun kullanılması ile temin edilir. Kum yapışma kabiliyetine, balçık kumlarında daha fazla ihtiyaç duyulur. Zira bu metotda, kumun dikey yüzeylere yapışması gereklidir. Kumun kalıp tutucularına, iskeletlerine ve maça demirlerine yapışması daha az önem taşır. Zira bu malzemeler genellikle kil ile yıkandıktan sonra kullanılır. Yüksek ısıya dayanıklılık, kalıp yüzündeki kumun dökümüne kaynamamasını önlemek için istenmektedir. Eğer kalıp kumu döküm yüzeyine yapışırsa, kalıp kumunun döküm yüzeyinden sıyrılması zorlaşır ve döküm yüzeyindeki kum torna kalemlerinin çabuk aşınarak bozulmasına sebep olur. Yüksek ısıya dayanıklılık; kum 57 içerisindeki serbert SiO 2 ve düşük ergime noktasına sahip CaO, MgO, K 2 O ve Na 2 O miktarlarına fazlasıyla bağlıdır. Yüksek ısıya dayanıklılığı artırmak maksadı ile yaş kumlarda kalıp yüzeyleri grafit boyası ile boyanır. Kuru kum kalıpları ise, grafit esaslı malzemeden yapılmış bir kalıp boyası ile boyanır. Doğal kalıp kumu; kuvars, kil, kireç ve demir oksitten ibaret olan ve kalıp imalinde kullanılan bir malzemedir. Kuvars, SiO 2 halinde olup kalıp kumunun esasını oluşturur. Kuvars taneleri yuvarlak veya keskin köşeli olur. Kil, kuvars taneleri yuvarlak veya keskin köşeli olur. Kil, kuvars tanelerini bağlayarak, kuma plastiklik verir. Demir oksit ve kireçtaşı kumda istenmeyen, fakat empürite olarak bulunan maddelerdir. Fazla demir oksit kumun sinterleşme noktasını düşürür, kireç sıvı metal sıcaklığında CO 2 meydana getirip dökümün kabarıklı olmasına sebep olur. Normal bir doğal kum içerisindeki bileşenler şu şekildedir: Yüzde bileşim % SiO 2 % 79 - 89 Al 2 O 3 % 3.0 – 9.0 FeO % 1.5 - 4.5 CaO % 0.2 – 2.5 MgO % 0.1 – 1.6 K 2 O % 1.0 – 3.0 Na 2 O % 0.1 – 1.5 Sentetik kalıp kumu, uygun incelikteki yüksek silisli bir kuma uygun oranda bentonit ilave edilmesi ile elde edilir. Sentetik kalıp kumları; üstün gaz- geçirgenliğine, daha düşük rutubete ve yüksek ısıya dayanıklı olduğundan doğal kalıp kumlarına tercihen kullanılır. 58 9.5. KALIP HAVASININ ALINMASI Kalıp atmosfere kapalı çıkıcıları ihtiva ettiği zaman, döküm esasında kalıp havası kalıpta açılmış hususi hava deliklerinden alınır. Hava delikleri mevcut değilse veya delikler kalıp boşluğuna kadar açılmamışsa, kalıp içerisinde sıkışan hava maden akışını yavaşlatır. Neticede döküm yüzeyinde hataları husule gelir veya dökümün bir kısmı oluşmaz. 9.6. YOLLUK VE ÇIKICI Yolluk sisteminin esas vazifesi sıvı demiri döküm boşluğuna minimum türbülans ve maksimum hızla basit bir tarzda sevk etmektir. Yolluk sisteminin basitliği verimi artırır. Yüksek akış hızı ve düşük türbülans, bazı döküm havuzu, yolluk, besleme ve giriş kanalı şekil ve tipleri küresel dökmelere aynen tatbik edilmektedir. Cüruf tutucusu sıvı madenle yolluk sistemine giren pislikleri önler. Bu pislikler yolluk dizaynında yapılacak değişiklikler ile önlenebilir. Yatay yolluğun boyunu giriş kanallarından biraz öteye uzatmakla pislikler burada toplanabilir. Diğer bir metot da yatay yolluğu üst dereceye, giriş kanalları ise alt dereceye yerleştirmektir. Demir dökümlerde, cüruflar sıvı madenden hafif olduğu için yatay yolluktaki madenin üst seviyesine çıkar ve temiz maden alttan akar. Bu tip yolluklarda, yatay yolluk geniş yapılarak sıvı madenin akış hızı azaltır ve böylece cürufun üste çıkması sağlanır. Düşey yollluğa koniklik verilmesi sıvı metalin akış hızını düşürür. Hız farkında vakum olamasını önler. Koniklik verilmesi ile bu durumun önüne geçilir. Koniklik, düşey yolluk üst kesit alanının alt kesit alanına oranının 1/3’ü kadar olmalıdır. Dökme hızı , giriş kanalının toplam kesit alanına ve yolluk yüksekliğine bağlıdır. Metal sıcaklığı, yolluk sisteminin geometrik şekli ve kalıp yüzey kalitesi dökme hızına ikinci derecede tesir ederler. Dökme hızının tayininde iki şart yerine getirilmelidir: 59 ? Sıvı demirin kalıba akışı esnasında husule gelen ısı kayıplarının önlenmesi için yüksek döküm hızının kullanılması, ? Döküm yavaş dökülmelidir. Yavaş dökme, çabuk dökme kadar kalıp malzemesine zararlı olamaz. Artan sıvı demir hızı kalıp yüzeyinde daha fazla tahripler yapar. Bunun yanında toplam dökme hızının kısaltılması ısı kayıplarını azaltır. Kısa dökme zamanına bilhassa döküm cidar kalınlığı ince olduğu zaman ihtiyaç duyulur. Döküm zamanı (Saniye) / Döküm ağırlığı (Libre) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Döküm zamanı Şekil 9.6. Küresel dökmelerde tavsiye edilen döküm zamanları. Tablo 9.6. ‘da görüldüğü gibi 400 librelik, 1200 librelik ve 100 librelik döküm parçaları 800 librelik bir dökümden sırayla %23, %45 ve %60 a kadar daha kıza bir zamanda dökülmelidir. Kısa döküm zamanları, toplam giriş kanallarına ait kesit alanının bir hayli büyük tutulması ile elde edilir. 60 Tecrübelere bakılırsa, sağlam dökümlerin elde edilmesinde yolluk sisteminin sıvı demirle dolu olması gerektiğini göstermektedir. Bu konik bir düşey yolluk dizaynını icap ettirir. Ayrıca düşey yolluğun alt kısmındaki kesit alanının giriş kanalları toplam kesit alanından biraz büyük olması gerekir. Yolluk sistemi sıvı demirle dolu olduğu zaman, cüruf yolluk haznesindeki sıvı metal yüzeyinde tutulur. Buna rağmen, bir miktar cüruf iniş yolluğuna girer. Sıvı metalin yolluktan geçişi sırasında da cüruf husule gelebilir. Cüruf pisliklerinin kalıp boşluğuna girmemesi için yatay yolluğun iyi boyutlanması gerekir. Yolluk sistemi dolu olduğu anlarda, düşey ve yatay yolluklardan ve toplam giriş kanallarından geçen sıvı metal miktarına eşittir. Fakat farklı kesit alanlardan geçen sıvı metal hızı değişiktir. Bütün metallerde ve küresel dökmelerde olduğu gibi metal akışı hızında ani düşmeler madensel olmayan pisliklerin üst yüzeye çıkarak yüzmesine sebep olur. Bu da yoğunluk farkından ileri gelmektedir. Sıvı demir akış hızının yarıya düşürülmesi buna kafi gelmektedir. 9.6.1. Döküm Hızları Dökme hızı ile giriş kanallarının toplam kesit alanı arasında aşağıdaki bağıntı mevcuttur: Q = c a . ?2gh Q = dökme hızı (libre/saniye) c = bir sabit a = giriş kanalının toplam kesit alanı (inç 2 ) g = yerçekim ivmesi (386 inş/saniye 2 ) h = giriş kanalı ile düşey yolluğun üst kısmı arasındaki dikey mesafe (döküm yüksekliği) (inç) c nin değeri sıvı demir yoğunluğuna eşittir. Yani yaklaşık olarak 0.25 libre/inç 3 dür. Pratik olsun diye bunu bir örnek ile gösterelim: 61 Problem: Toplam döküm ağırlığı 1000 libre, döküm yüksekliği 3 ayak ve giriş kanalları toplam kesit alanı 3 inç 2 olduğuna göre, dökme zamanını hesaplayınız. (c=0.1) Dökme zamanı, Q= 0.1 x 3 x ?(2 x 386 x 36) = 50 libre/ saniye Dökme zamanı = Döküm ağırlığı / Dökme hızı (Q) = 1000/50 = 20 saniyedir. 9.6.2. Çıkıcı Küresel grafitli dökme demir kendi kendini besleme karakteristiğine sahip olduğundan çok az çıkıcılara ihtiyaç göstermektedir. Kullanılması gereken çıkıcı adedi çelik dökümlerde kullanılan çıkıcı saysından çok daha azdır. Yaygın inancın aksine küresel dökme demir için kullanılan bütün döküm katılaşıncaya kadar aktif olmasına yani dökümü beslemesine ihtiyaç yoktur. İdeal olacak çıkıcı ile dökümün bilrleştiği kısım, dökümün kalın kısımları katılaşmaya başlayınca katılaşmış olmalıdır. Durum böyle olmadığı takdirde, ikinci genleşme safhası döküm içerisinde gerekli basıncı husule getiremez. Bunun yerine çıkıcıdaki metal seviyesini yükseltmeye çalışır. Neticede çıkıcı porozite teşekkülüne sebebiyet verir. Aşağıdaki hususların olması döküm için ideal sayılabilir: ? Yuvarlak kesitli çıkıcılar en iktisadi olanlardır. ? Kalın cidarlı döküm kısmının et kalınlığından biraz büyük veya ona eşit bir çıkıcı çapı genellikle yeterlidir. ? Çıkıcının döküme birleştiği ksımın kesit kalınlığı kendine yakın bulunan döküm cidar kalınlığı ile çıkıcı çapının ¼ ü arasında değişir. ? Çıkıcı boyu çıkıcı çapının 1/3 ü ile çapı arasında değişir. ? Çıkıcılar mümkün mertebe dökümün ısı merkezine yakın olacak şekilde yerleştirilmelidir. ? Üst çıkıcı kullanılmasından sakınılmalıdır. Çünkü üst çıkıcılar kalıp duvar hareketi gibi vazife görerek porozite teşekkülünü artırırlar. 62 BÖLÜM X KGDD’LERİN ISIL İŞLEMLERİ 10.1. GİRİŞ Isıl işlem genellikle bir veya daha fazla özellikleri islah etmek maksadıyla erime noktası aşağısındaki belirli bir sıcaklığa ısıtma ve soğutma işlemleri olarak tarif edilir. Isıl işlem metotlarının başlıcalarını aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür. 1. Tavlama 2. Normalizasyon 3. Sertleştirme (su verme) 4. Temperleme 5. Gerilim giderici tavlama 6. Yüzeysel sertleştirme Tavlama işlemine döküm döküldükten sonra ihtiyaç duyulur. Dökme sebebiyle dökümde husule gelen kırılganlığın giderilmesinde kullanılır. Bu ısıl işlem metodunda; dökümler belli bir sıcaklığa ısıtılır ve bu sıcaklıkta muayyen bir bekleme müddetinden sonra kontrollü olarak soğutulur. Burada soğuma hızının yavaş olması iyidir. Normalizasyon işlemi dökümün mekaniksel özelliklerini islah etmek maksadıyla yapılır. Bu işleme tabi tutulacak dökümler muayyen bir sıcaklığa ısıtılır ve belirli bir denkleştirme süresinden sonra dökümler havada soğumaya bırakılır. 63 Sertleştirme işleminde, döküm parçaları sertleştirme sıcaklığına tedciren çıkarılır ve ancak bütün parça her taraftan anyı sıcaklığa eriştiği zaman su veya yağ banyosuna ani olarak daldırırılır. Dökümler normalizasyon ve sertleştirme işlemlerine tabi tutulduktan sonra temperleme yapılır. Bu işlemde döküm gerekli temperleme sıcaklığına çıkarılır. Fırında veya havada soğuturlur. Temperleme gerilmeleri ve gevrekliği giderme ve düzleştirme amacıyla tatbik edilir. Gerilim giderici tavlama, dökümden sonra husule gelen kalıcı gerilmeleri, talaş kaldırarak işlemeden ve kaynak yapmadan sonraki gerilmeleri gidermek maksadıyla dökümlerin nihai bir ısıl işleme tabi tutulmasından ibarettir. Bu ısıl işlemde döküm parçalar düşük bir sıcaklığa kadar ısıtılır ve soğutulur. Yüzeysel sertleştirme işlemi aşınmaya dayanıklı bir döküm yüzeyinin elde edilmesinde kullanılır. En önemli yüzey sertleştirme metotları, alevle sertleştirme, nütrürasyon ve semetasyondur. 10.2. ISIL İŞLEMİN GEREKTİĞİ DURUMLAR Isıl işleminin aşağıdaki şartlar altında yapılması tavsiye edilir: 1. İşlenmiş döküm parçaları adi ve yüksek sıcaklıklarda boyutlarını azami derecede muhafaza etmelidir. Gerilim giderici tavlama ile dökümlerin boyutsal değişimlerini sağlamak mümkündür. 2. Belirli kimyasal kompozisyonun kullanılması ile döküm parçalarının her tarafında istenilen matris yapısı elde edilemez. Tavlama ameliyesi ile bu farklı yapılar birbirine eşit kılınabilir. 64 3. Gevrek bir çekirdek üzerine sert, aşınmaya mukavim bir yüzey arzu edilmektedir. Bu hallerde yüzeysel sertleştirme ameliyesine ihtiyaç duyulur. 4. İstenilen döküm özellikleri dökümle elde edilmesine rağmen bazı hallerde ısıl işlemlerin yapılması istenmektedir. Bu durumlarda tasarım mühendisi ile temas edilmesi gereklidir. 10.3. ISIL İŞLEM METOTLARININ TATBİKİ İLE ÜSTÜN MİKRO-YAPILARIN ELDE EDİLMESİ Isıl işlem metotlarını tatbik etmeden istenilen bazı mikro-yapıları elde etmek zordur. Martensitik ve beynitik küresel dökmeler ve perlitik küresel dökmeler ancak ısıl işlem metotlarının tabiki ile elde edilir. Azami gevreklik ve mukavemetin birlikte istendiği hallerde de ısıl işlemlere başvurulur. Adı geçen küresel dökme demirlerin hemen hemen hepsi nikel, bakır ve molibden gibi katık elemanlarını ihtiva etmektedir. Isıl işlemin tatbiki ve alaşım elementlerinin mevcudiyeti, bu tip küresel dökmelerin maliyetini yükseltir. Bundan dolayı bu küresel dökmelerin kullanılma sahası sınırlıdır. 10.4. GERİLİM GİDERİCİ TAVLAMA Gerilim giderici tavlamada esas prensip sıcaklığın 592 °C yi geçmemesidir. Seçilen sıcaklıkta döküm 2-6 saat bekletildikten sonra, 7 - 37°C/saat soğuma hızı ile fırında soğutulur. Bu soğutma 315.5-371°C ye kadar devam eder. Fırın sıcaklığı bu sıcaklığın altına düştüğü zaman, dökümler fırından alınarak havada soğumaya terk edilir. Kır dökme ile küresel dökme demirler arasında gerilim giderme tavlaması açısından esaslı bir fark mevcuttur. Kır dökme demirler düşük dahili gerilmeler altında 65 (ör: 1400-3500 kg/mm 2 ) kolayca deforme olurlar. Bununla birlikte küresel dökme demirler aynı gerilir şartları altında deformasyona maruz kalmayıp, şekillerini muhafaza ederler. Bunun izahını şöyle ifade edebiliriz. Kürsel dökmeler gerilmeye maruz kaldığında akma sınırına kadar tamamen elastik deformasyon gösterir. Bunun yanında kır dökme demirler çok düşük yükler altında dahi plastik deformasyona uğrar. Elastik deformasyon ani bir şekil değiştirme işlemi olduğundan ötürü, küresel demirden dökülmüş bir döküm sarsma ile bozulduktan ve temizlendikten sonra boyutlarında herhangi bir değişme göstermez. 10.5. MUKAVEMET ARTIRAN ISIL İŞLEM METOTLARI Isıl işlem metodu malzeme mukavemetini artırma tesiri yapar. Bunu üç şekilde yapmak mümkündür. Bu ısıl işlemler önem sırasına göre aşağıda izah edilmiştir. 10.5.1. Normailizasyon Döküm, üst kritik sıcaklığın üstündeki bir sıcaklığa kadar ısıtılarak muayyen bir denkleşme süresi için bu sıcaklıkta bekletilir. Bu bekletme süresi döküm kalınlığı her 2.54 cm si için bir saat olarak hesaplanan zamana bir ilave saat daha eklenerek hesaplanır. Döküm östenik bölgeye kadar ısıtıldıktan sonra hareketli hava veya durgun havada soğumaya bırakılır. Böylelikle döküm hızlı soğuma ile perlitik bir yapıya sahip olur ve döküm mukavemeti artar. Döküm sertliğini tavlama ile düşürmek mümkündür. Bu ısıl işlemmetodunda 482-538°C arasındaki bir sıcaklığa çıkarılır ve belli bekleme süresinden sonra, döküm fırında 315°C - 371°C arasına kadar soğutulur. Saatte 7-35 °C/saat olacak şekilde ddüşünülebilir. Ancak bu biraz maliyetlidir. Bu nedenle az kullanılır. 66 10.5.2. Sertleştirme ve Temperleme Tekniği Mukavemet artırıcı ısıl işlem metodu hassas sertliklerin teşkil etmesi ile kendini karakterize eder. Bu ısıl işlem metodu iki kademeden oluşur. Birinci kademesi su verme işlemi olup, ikincisi temperlemedir. Temperleme düşük sıcaklıklarda yapılır. Bu sıcaklıklardaki bekleme süresi dökümün kalın kısmının 25.4 mm si başına bir saat olarak hesaplanan zaman bir saat ilave edilmesi ile tayin edilir. Şekilde temperleme sıcaklıkları(°F) ile Brinell sertlik değerleri arasındaki bağıntıyı göstermektedir. Bu değerler kimyasal kompozisyonun ayarlanması ile dar sınırlar dahilinde değiştirilebilir. Kompozisyon ayarlaması mevcut dökümhane şartlarına göre yapılır. 0 100 200 300 400 0 800 900 1000 1100 1200 1300 Temperleme sıcaklığı (°F) Sertlik Brinel Şekil 10.5.2. Temperleme sıcaklığının sertleştirilmiş bir KGDD’nin sertliği üzerindeki etkisi. 10.5.3. Östemperleme (Tek Kademeli Su Verme ve Temperleme) Su verme ve temperleme işlemleri bir kademede yapılabilir. Bu da dökümün östenit bölgeye kadar ısıtlaması ile başlar. Normalizasyonun ilk kademesiyle aynı muameleyi görür. Fakat östenit sıcaklıktan oda sıcaklığına hızla soğutma işlemi yerine, döküm yüksek hararetten 260-537 °C arasındaki bir sıcaklığa kadar soğutulur. Soğutma ortamı olarak genellikle ergimiş tuz kullanılır. Soğutma bayosunun 67 sıcaklığına bağlı olarak sertlik değeri değişir. Elde edilecek sertlik değerleri 275 ile 375 Brinell arasındadır. Böylce, küreselleşmiş veya beynitik döküm yapısı elde edilir. 10.6. SERTLEŞTİRME VE YÜZEY SERTLEŞTİRME Sertleştirme veya su vermede esas olan pratik kurallar, yüksek karbonlu çeliklerde, kır dökme ve küresel dökme demirlerde aynıdır. Martensitik yapı daima arzu edilmektedir. Çabuk soğutma dökümünün yağ veya suya daldırılması ile temin edilir. Martensitik yapının elde edilmesinde gerekli soğutma hızı döküm kompozisyonunun ayarlanmasına bağlı olarak değişir. Nikel ve mobden gibi alaşım elemanları istenilen soğuma hızını fazlasıyla düşürür. Yüzeysel sert tabaka istenirse, yüzey sertleştirme işlemi tatbik edilir. Bu ısıl işlemle sürekli veya yumuşak bir çekirdek husule getirmek kabildir. Yüzey sertleştirme işlemi döküm yüzeyinin çok hızlı ısıtılması ve çabuk soğutulmasından ibarettir. Isıtmanın çabukluğu sebebiyle yalnız yüzey tabakası östenit yapıya dönüşür. Östenit yapıdan martensit teşekkül ettiğine göre, martensit yapı dökümün yalnız yüzey kısımlarında husule gelir. 10.7. DAYANIKLIĞI ARTIRAN İŞLEMLER Pratikte dayanıklığın arttırılmasında kullanılan dört ayrı metod vardır. Bu metodlar yalnız iktisadi ve tatbikat yönünden farklılık gösterirler. 10.7.1. Yumuşatma Tavlaması Konvensiyonel yumuşatma tavlaması malzemeyi östenitleştirme alt kritik sıcaklığın 10-37.5 °C aşağısına soğutma, bu sıcaklıkta beher maksimum cidar kalınlığı için bir saat olacak şekilde hesaplanan zamana 5 saat eklemek suretiyle bekletildikten sonra atmosferik sıcaklığa kadar soğutmadan ibarettir. Kritik sıcaklığın altında bekletme, toplam perlitin ferrite ayrışmasını sağlar. 68 Bünyesinde az miktarda perlit stabilize edici elementler ihtiva eden küresel dökmeler kritik sıcaklığın altında az bir bekletme ile tavlanmalıdırlar. Döküm östenitizasyondan sonra çok yavaş soğutulmalıdır. %0.10 manganezli dökmelerle maksimum soğuma hızı 37.5°C/saat olduğu halde, %0.50 manganezli döküm için bu soğutma hızı 1.65°C/saat e düşer. Bu yavaş soğutma 648.5°C altındaki sıcaklığa kadar devam eder. Ve bilahare dökümler havada soğumaya terk edilir. Pratik sebeplerden dolayı tavlamadan önceki östenitazasyon sıcaklıığı hemen hemen 900°C civarındadır. 69 BÖLÜM XI KGDD’NİN OTOMOTİV SEKTÖRÜNDEKİ UYGULAMALARI Demir döküm sektörünün son onbeş yılına baktığımızda, gelişen ve globalleşen otomotiv sektörüne paralel olarak, çok büyük bir gelişme gösterdiğini söyleyebiliriz. Avrupa kıtasında döküm fabrikalarının kapanması Türkiye, Çin, Hindistan ve Uzak Doğu ülkelerinin döküm sektöründeki ilerlemeleri Dünya döküm pazarında çok büyük bir rekabeti beraberinde getirmiştir. Otomotiv ve iş makineleri sektöründeki rekabetin artması, iç piyasadaki krizlerin etkisiyle ihracata yönelen firmalarda tahribatsız muayene tekniklerine duyulan ihtiyaç daha da fazla olmaktadır. Firmaların bu konudaki özel istekleri çok fazla olmakta, hatta tek bir parçayı üretmek için çok pahalı özel cihazlar bile alınabilmektedir. Motorlar üzerinde yakıt tüketimini azaltmak için yapılan çalışmaların başında parçaların ağırlığının azaltılması büyük öneme sahiptir. Bununla birlikte taşıt hızlarının ve güçlerinin artması sebebiyle de hafif ve dayanıklı malzeme kullanımı önem kazanmaktadır. Tablo 11.1. de bir otomobilin toplam ağırlığının 1997-2007 yılları arası değişimi görülmektedir. Bir otomobil motorunda dökme demir, dökme çelik, demir dışı alaşımlar kullanılmaktadır. Dökme demir ve çelikler kullanım yerlerine göre daha sonra çeşitli ıslah ve yüzey sertleştirme işlemleri görerek dayanımları arttırılabilmektedir. Tablo 11.2. de otomotiv sanayinde kullanılan malzemelerin 1997-2007 yılları arasındaki değişimi görülmektedir. 70 Tablo 11.1. Bir otomobildeki toplam ağırlığın 1997-2007 yılları arası değişimi Tablo 11.2. Otomotiv sanayinde kullanılan malzemelerin 1997-2007 yılları arası değişimi 71 Bir otomobil motoru 4500 ayrı parçanın biraraya gelmesiyle oluşmaktadır. Bu 4500 parçanın yaklaşık 1500 adeti küresel grafitli dökme demirden üretilebilmektedir. Otomotiv sektöründe kullanılan küresel grafitli dökme demir parçalara birçok örnek sayılabilir. Bunlar; motor gövdesi, fren pistonu, silindir bloğu, aks gövdesi, distribütör, diferansiyel kutusu, diferansiyel gövdesi, ön ve arka poyra, valf gövdesi, fren baskı kolu, sağ ve sol yatak mesnetleri, çatallı flanş, diferansiyel hidrolik kilidi, manifold kapak ve benzerleri olabilir. 72 KAYNAKLAR 1. ARAS, N., “Küresel Grafitli Demir Dökümü” , Makine Mühendisleri Odası Yayını, Yayın No:45 , 1970 2. CEVHER, Ö., “Dökme Demirlerde Sert Faz Oluşumun Önlenmesi” , Yüksek Lisans Tezi, Ağustos 2006 3. Milli Eğitim Bakanlığı, “Küresel Grafitli Dökme Demir” , 521MMI284 , Ankara 2011 4. ÖZDEMİR, Ö., “Otomotiv Sektöründe Kullanılan Küresel Grafitli Dökme Demir Üretimine Etki Eden Parametrelerin Teorik İncelenmesi Ultrasonik Ses Hızı Yöntemiyle Tahribatsız Kontrolü Ve Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması” , Yüksek Lisans Tezi, Mayıs 2007 5. YAVUZ, K., “Ggg-70 Sınıfı Küresel Grafitli Dökme Demir Kam Millerinin İşlene bilirliğinin Deneysel Olarak Araştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Haziran 2006 6. SMITH, WILLIAM F., “Malzeme Bilimi ve Mühendisliği” , Literatür Yayıncılık, Dördüncü Basım, Mart 2009, İstanbul 7. BOZKURT, N., “Isıl İşlem Ders Notları”, İtü, İstanbul 1994 8. KISAKÜREK, E., “II. Sınıf Malzeme Notları”, Cilt 2 9. İZGİZ, S., “Küresel Grafitli Dökme Demir, Üretimi, Yolluk Besleyici Tasarımı, Isıl İşlemi ve Özellikleri”, ISBN 975-7608-01-7, 1988 10. TÜRK, A., “Okgdd’de Çentiksiz Darbe Enerjisi-Yapı İlişkisi”, Yüksek Lisans Tezi, 1990 11. AKBULUT, H., “Okgdd’de Mikro Yapı-Darbe Enerjisi ve Sertlik İlişkisi”, Yüksek Lisans Tezi, 1990 73