ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER

ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER

Östemperleme esas olarak çelikler için boyutsal karalılığı ve sertliği arttırmak amacıyla uygulanan bir ısıl işlemdir. Bugün östemperleme işlemi ile elde edilen mikroyapı ilk kez 1930 ‘ lu yıllarda alaşım elementi ilavesi ile gri dökme demirde elde edilmiştir. Metalurjistler KGDD’lerin geliştirilmesinden sonra 1950’li yıllarda bir taraftan aşılama ile, diğer taraftan da ısıl işlem ile bu demirlerde beynitik yapı elde etmişlerdir.

Yaklaşık 20 yıl yüksek mukavemet ve yüksek tokluk gösteren ÖKGDD üzerine önemli bir gelişme kaydedilmemiştir. 1970’ in ortasında Finlandiya’da Kymi Kymmene ve Amerika ‘da General Motors tarafından ticari olarak ilk kez dişli yapımında kullanılan ÖKGDD’ in dövme çeliklerin yerini alacak potansiyele sahip olduğu gözlenmiştir.

Mükemmel mekanik özelliklerin yanında çok iyi işlenebilirlik, düşük üretim maliyeti, düşük ağırlık, az gürültü ve nihai parçaya yakın dökümlerin yapılabilmesi gibi birçok özellikleri bir arada bulundurması 1978’ den sonra bu malzemelere olan ilgiyi sürekli arttırmıştır ( 9 ).

Bütün bu özellikleri bir arada bulundurması ÖKGDD’ in eşsiz mikroyapısından kaynaklanmaktadır. Östemperleme işleminin amacı da bu eşsiz mikroyapıyı elde etmektir. KGDD’lerin bilinen mikroyapıları ferrit (yumuşak) ve perlittir (sert). Östemperleme ile elde edilen mikroyapı ise ferrit ve yüksek karbonlu östenittir.

Östemperleme şartlarına göre iki farklı ösferrit yapısı oluşmaktadır. Düşük östemperleme sıcaklıklarında ortaya çıkan alt ösferrit yüksek mukavemet ve sertlik gösterirken, yüksek sıcaklıklarda oluşan üst ösferrit yüksek süneklik, yüksek aşınma ve yorulma direnci sergilemektedir. Mekanik özelliklerdeki bu değişmeleri ısıl işlem şartları ve bileşime bağlı olan ; ösferrit morfolojisi, kalıntı östenit miktarı, muhtelif karbürlerin ve martensit fazının varlığı veya yokluğu etkilemektedir.

Östemperlenmiş çeliklerde KGDD’ler aynı beynitik yapıda değildir ve çelikler ÖKGDD’lerin gösterdiği mükemmel özellikleri gösteremezler. Östemperleme sonunda ÖKGDD’ de ferrit ve yüksek karbonlu östenit karışımı ösferrit yapı iken çeliklerde beynitik ferrit ve karbür karışımı beynitik yapıdan oluşmaktadır.

Dökme demir ile çelik arasında ki esas fark karbon içeriğidir. Çeliğin karbon içeriği genellikle % 0,80’ in altında iken dökme demirler % 2 - 4 C içerirler. Çeliğin karbon içeriği ana fazlar içinde çözünmüş halde bulunmaktadır. Karbon ister grafit küresi, isterse demir matrisinde bulunsun soğuma esnasında karbür oluşturması engellenmelidir. Dökme demirlerde bulunan yüksek silisyum içeriği karbür oluşumunu bastırarak yüksek karbonlu östenitin - 120 °C ‘ye kadar kararlı kalmasına sebep olur.

3.1. Östemperleme Isıl İşlemi

Östemperleme ısıl işlemi Şekil 3.1 ‘de görüldüğü gibi 3 aşamada yapılmaktadır. Bu aşamalar
1) Malzeme 850 - 950 °C aralığında 1- 2 saat süre ile östenitlenir.
2) Perlit oluşumunu engelleyecek hızda soğutma
3) Östemperleme için 250 - 450°C sıcaklık aralığında 1 - 4 saat izotermal bekleme



Şekil 3.1 Östemperleme ısıl işleminin şematik gösterimi ( 1-5-6-8 )

3.1.1. Östenitleme

Östenitleme genellikle 850 – 950 °C sıcaklık aralığında 1 - 2 saat süre ile yapılmaktadır. Çeliklerin tersine, dökme demirlerde östenitleme sıcaklık ve süresi oldukça önemlidir. Östenitleme sıcaklığını matris C içeriği belirler. Aynı zamanda homojen bir östenit yapı için östenitleme süresinin de önemli olduğu bilinmektedir.
3.1.2. Östemperleme işlemi (İzotermal bekletme )

Östemperleme genellikle 250 - 450°C aralığında 1 - 4 saat süre ile yapılmaktadır. Östemperleme sıcaklığı ösferrit morfolojisini etkilemektedir. 330 °C’nin altındaki sıcaklıklarda alt ösferrit baskın morfolojidir. Bu yapının oluşumu östemperleme zamanı ve dökme demir kimyasal kompozisyonundan bağımsızdır. Bununla birlikte, düşük östemperleme sıcaklıklarında C difüzyon’ u ferritin C ile aşırı doymasına neden olur ve ferrite e-karbür çökelir. Üst ösferrit ile 330 °C’nin üzerindeki östemperleme sıcaklıklarında baskın morfolojidir. Yüksek östemperleme sıcaklıklarında serbest enerji değişimi küçük olmasına rağmen C difüzyonu hızlıdır. Bu ferrit çıtalarının büyümesi sırasında C’ nun östenitle paylaşılmasına izin verir.
3.1.3. Östemperleme dönüşüm aşamaları

Östemperleme esnasında östenitin dönüşümü bazı araştırmacılara göre iki aşamada gerçekleşmektedir. Bu aşamalar ;

DEMİR ALAŞIMLARI

KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER

Küresel grafitli dökme demirler ( KGDD ), bir dökme demir sınıfı olup, ferritik ve perlitik veya ferrit + perlit karışımı bir matris içinde dağılmış halde grafit kürecikleri içeren bir dökme demir türüdür.

KGDD’ler, gri dökme demirin düşük ergime derecesi, iyi alışkanlık ve iyi işlenebilme yeteneği gibi üstünlükleri ile çeliğin yüksek mukavemet, süneklik ve tokluk gibi özelliklerini birleştiren bir malzeme olarak dökme demirler arasında yeni bir dökme demir sınıfı meydana getirmiştir ( 8 )

1940’ların sonlarından itibaren tanınmasına rağmen, KGDD’ in önemi gün geçtikce büyümektedir. Şu anda, gelişmiş ülkelerin üretim pastalarında KGDD üretimi % 20 - 30‘luk bir dilime sahiptir ( 8 ).

Küresel grafitli dökme demir ( KGDD ), birbirinden bağımsız olarak “British cast iron research association” (BRCIA) ve “İnternational nickel company” (INCO) tarafından geliştirmiş ve ilk defa Amerikan Dökümcüler Cemiyeti’nin 1948’ deki yıllık toplantısında döküm endüstrisi için yeni bir malzeme olarak tanıtılmıştır.

Küresel grafitli dökme demir aynı zamanda, nodüler, sfero ya da düktil dökme demir olarak da isimlendirilmektedir. Yurdumuzda, daha çok ‘Küresel grafitli dökme demir’ tabiri kullanılmıştır. KGDD’ de grafit, gri dökme demir (GDD)’de olduğu gibi lameller şeklinde değil, küçük küreler şeklindedir. Yapı açısından, gri dökme demirden yegane ayrıcalığı grafitlerin şeklidir. Yani, KGDD küresel grafit partikülleri içeren döküm halinde yapıya sahiptir. KGDD’ in mukavemetinin ve sünekliğinin GDD’ ye göre çok daha yüksek olmasının sebebi, grafit partiküllerinin ferritik, perlitik ya da ferritik + perlitik matris içinde küre şeklinde dağılmış durumda olmasıdır. KGDD’ in döküm durumu mekanik özellikleri ayrıca ısıl işlem ile yükseltilebilir.

KGDD’nin mekanik özellikleri grafit şekli ve büyük ölçüde matris yapısı tarafından etkilenmektedir. KGDD’ler dökme demirin avantajları ( düşük ergime derecesi, iyi akışkanlık ve dökülebilirlik, mükemmel işlenebilirlik ve iyi kesme mukavemeti ) ile, çeliğin mühendislik yönünden avantajları ( yüksek mukavemet, tokluk, süneklik, sıcak işlenebilirlik ve sertleşebilirlik ) birleştiren yeni bir dökme demir gurubudur ( 8 ). KGDD, düşük kükürt bileşimine sahip sıvı dökme demirin magnezyum ve seryum ile işleme tutulması ile üretilir ve son olarak, döküm esnasında ya da dökümden hemen önce silisyum içeren aşılayıcı bir alaşım ilave edilir. Böylece grafit temel halden küresel hale geçer. Ticari işlem pratiğinde çok değişiklikler vardır. Tipik olarak, alaşımsız KGDD’ in bileşimi Çizelge 2.1 ‘den görüleceği üzere gri dökme demir (GDD) ya da temper dökme demirden (TDD) farklıdır.

KGDD dökümlerinin pek çoğu ısıl işlemsiz halde kullanılır. Bazen uygulanan ısıl işlem, üzerinde istenen etkiye göre değişir. Östemperleme dışındaki herhangi bir ısıl işlem yorulma özelliklerini düşürür. KGDD, mukavemeti ve sertleşebilirliğini

Çizelge 2.1. Seçilmiş dökme demirlerin bileşimi ( 3 )

(a) TK,toplam karbon. (b) seçilebilir

yükseltmek amacı ile düşük miktarlarda nikel, molibden ve bakır ile alaşımlandırılabilir. Korozyon, oksidasyon aşınma ya da yüksek sıcaklık uygulamaları için daha yüksek miktarlarda silisyum, krom, nikel ya da bakır ilave edilebilir.

Şekil 2.1. KGDD’nin mikroyapıları a)Döküm halindeki ferritik b) Döküm halindeki perlitik c) 700 °C’de tavlanmış ferritik d) Perlitik KGDD yağda soğutulmuş ve 255’ BS’ye temperlenmiş. Hepsi % 2 nitalde dağlanmış. X 100 (8)

KGDD’lerin Türk Standartları Enstitüsü (TSE)’ye göre sınıflandırılması Çizelge 2.2 ‘ de verilmektedir. Küresel grafitli dökme demirler; DDK (Dökme demir küresel grafitli) işareti ile gösterilir.Bu işareti izleyen sayılar ise kg/mm olarak minimum çekme mukavemeti gösterir. Burada GGG işareti kullanılmaktadır. Amerikan ASTM ( AS36 - 37 )’ e göre ise ksi olarak minimum çekme mukavemeti ve % 0,2 akma mukavemeti ve % uzama değerlerini vermektedir. Örneğin 60 – 40 - 18 işaretli malzeme incelenirse, dökme demirin 60 ksi ya da 414 MPa minimum çekme mukavemeti, 40 ksi ya da 276 MPa % 0,2 akma mukavemeti ve % 18 uzama değerlerine sahip olduğu anlaşılır.

SAE ( The Society of Automotiive engineers ), büyük miktarlarda dökümler için küresel grafitli dökme demiri sınıflandırmada, dökümlerin matris mikroyapısı ve Brinell sertliğine dayalı bir metot kullanır. Hem ASTM ve hem de SAE belirtmeleri çekme özellikleri ve sertlik için standarttır.

Çizelge 2.2 Küresel dökme demirlerin mekanik özellikleri ve yapıları ( 3-8 )

Uluslar arası tanımlama sistemi ( ISO1083 ), çekme mukavemetini MPa ve uzamayı % olarak verir. Çizelge 2.3’ de ASTM, SAE ve ISO standartlarına göre küresel grafitli dökme demirin sınıflandırılmasında kullanılan özellikler görülmektedir.

Fransız standartlarında (NFA 32 - 201), KGDD için kullanılan işaret FGS olup izleyen rakamlar kg/mm olarak minimum çekme mukavemetini ve % uzama değerlerini göstermektedir. İngiliz ( BS 2789 ) standartlarında ise, SNG harfleri kullanılır ve bu harfleri ton/inç olarak minimum çekme mukavemetini ve minimum % uzama değerleri izler. Rus GOST 7293-70 standartlarında kullanılan VCH harfleri yine kg/mm olarak minimum çekme mukavemetini ve % uzama değerini gösterir
.
Küresel grafitli dökme demirler, sahip oldukları üstün özellikler ile her geçen gün gri dökme demirlerin (GDD) yerini almakta ve kendilerine daha geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Özellikle, iyi dökülebilirlik. iyi işlenebilirlik ve düşük maliyet ile birlikte yüksek mukavemet ve tokluk gereken uygulamalarda, KGDD tercih edilen bir mühendislik malzemesidir.

Otomotiv ve tarım endüstrisi, küresel grafitli dökme demirin başlıca kullanım alanlarıdır. Amerika’ da, 1988’ de üretilen yaklaşık 3 milyon ton grafitli dökme demirin büyük bir kısmı otomotiv endüstrisi tarafından kullanılmıştır. Otomotiv sanayisindeki uygulamalara örnek olarak; krank milleri, egzoz manifoltları, karışık şekilli direksiyon mafsalları, avare diş kolu, tekerlek göbeği, traktör ve kamyon aksları, piston halkaları, silindir gömlekleri, süspansiyon sistemi parçaları, güç iletim kelepçeleri ve türbin yatakları verilebilir. Bu uygulamalarda, küresel grafitli dökme demir kullanımı, ekonomik üstünlüğünün yanı sıra daha yüksek mukavemet ve ağırlık tasarrufundan dolayı tercih edilmektedir. Dökme demir boru endüstrisi, küresel grafitli dökme demirin bir başka kullanım alanıdır. Ayrıca, pek çok teçhizat da (fitting) bu malzemeden üretilmektedir. Tarım ve yeryüzü hareketleri ile ilgili uygulamalarda, yüksek mukavemet ve tokluğa sahip dirsekler, kavramalar, bilyalar, hidrolik valflar, zincir dişlileri ve ray parçaları da KGDD’ den yapılmaktadır.

Çizelge 2.3 Çeşitli ulusal ve uluslar arası standartlarında KGDD özellikleri(8)

Genel mühendislik uygulamalarına örnek olarak; hidrolik silindirler, mandrenler, makine çerçeveleri, bağlama donanımı, hadde merdaneleri, tünel parçaları, demiryolu ray klip destekleri, kömür ve mineral ezme parçaları, yüksek sıcaklık uygulamalarında güvenlik valfleri, dişliler, nükleer yakıt konteynırları ve taşıyıcılar, petrol kuyusu donanımları ve demiryolu aks kovanları gibi parçalar belirtilebilir. Ancak östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir (ÖKDD), KGDD için pek çok yeni uygulama alanları yaratmıştır