DÖKME DEMİRLER

DÖKME DEMİR

Çinlilerin demir madenini eritirken karbon içeriğini yükseltmeleri sonucu 3000 yıl önce dökmedemir ürettikleri bilinmektedir. Döküm endüstrisinin en yüksek tonaja sahip ürünü dökme demirlerdir. Dökme demirlerin iyi bir malzeme oluşu ve üretim maliyetinin düşük olması kullanım alanını genişletmektedir. Dökme demirler çok geniş bir aralıkta değişen mukavemet, sertlik, işlenebilirlik, aşınma direnci, korozyon direnci ve diğer özelliklere sahiptirler. Yüksek fırından alınan ham demir, dayanıksız ve kırılgandır. Makine imalatında ve konstrüksiyon işlerinde kullanılmaya elverişli değildir. Genel olarak ham demir yüksek fırından alındıktan sonra büyük potalara dökülür daha sonra kupal ocaklarına gönderilerek döküm işlerinde kullanılmak üzere dökme demirler elde edilir Geçmişte dökme demir malzemeler kalite arandığında tercih edilmezken, günümüzde birçok alanda dövme ve kaynaklı parçalara oranla daha ekonomik bir çözüm getirmektedir. Parçaların dayanımları düşünüldüğünde en uygun şekil döküm yoluyla elde edilir.

HAM DEMİR

Demir filizleri cevher hazırlama işlemlerinden geçirildikten sonra yüksek fırınlarda işlenerek ham demir haline getirilir. Cevher hazırlama işlemi demir filizlerindeki yabancı maddeleri (toprak, taş, odun vb.) temizleme ve yüksek fırın için uygun özelliklere ve büyüklüğe getirme işlemlerine denir. Cevher içerisindeki yabancı maddeler "gang" bu gangları temizleme işlemine de "cevher zenginleştirme" denir. Temizleme işlemi manyetik (mıknatıslama) yöntemiyle yapılabildiği gibi elementlerin yoğunluk farkından yararlanılarak da yapılır. Bu yöntemde sıvı içine atılan demir filizleri dibe batarken ganglar sıvı yüzeyinde yüzer. Üst yüzeyde yüzen ganglar alınarak temizleme gerçekleştirilir.

Demir filizleri içerisinde fazla miktarda bulunan kükürdün (S) ve karbonatların (Karbon ve Oksizjen bileşikleri) temizleme işlemine "kavurma" denir. Bu işlem öüğtülmüş demir filizi üzerine sıcak hava akımı verilerek yapılır. Böylece sıcaklığı ayarlanmış olan bu hava akımının etkisiyle kükürt SO2 bileşiği, karbonatlar ise CObileşiği kurarak demir filizinden ayrılır. Kavurma işlemi demir filizinin yoğunluğunu %30 azaltır. Taşıma masraflarını azaltmak için bu işlem demir filizinin çıkarıldığı ortamda yapılır. Demir filizleri yüksek fırına atılmadan önce yaklaşık 30 mm büyüklüğünde parçacıklar haline getirilir. Bu boyuttan daha küçük parçacıkların yüksek fırını tıkamamaları için 900-1350°C sıcaklıklar arasında pişirilerek birbirlerine yapışmaları sağlanır. Bu işleme de "sinterleme" denir. Toz şeklindeki filizler sinterleme için uygun değildir. Bu nedenle bu tozlar içerisinde çeşitli yapıştırıc maddeler katılarak belirli büyüklükteki parçalar haline getirilirler. Bu işleme de "peletleme" denilir. Demir filizleri cevher hazırlama işleminden sonra yüksek fırın içerisine atılırlar.

Tipik bir yüksek fırın yaklaşık 25-30 m yüksekliğinde gövde çapı da 8-10 m çapındadır. Fırının iç kısmı 1 m kalınlığında refrakter tuğla ile örülmüş olup dış kısmı ise çelik saçlarla kaplanmıştır. Yükse fırının soğutma işlemi kendisini çevreleyen ve içerisinden su geçen borularla yapılır. Bu soğutma borularına "tüyer" denilir. Yüksek fırına atılan demir filizi,kok kömürü ve katkı madelerine "şarj" denilir. Şarj %50 demir ihtiva eden 2 ton demir filizi için 1 ton kok kömürü ve 1 ton katkı maddesi oranı ile belirlenmektedir. Bu orandaki bir şarj için 3000 m³ sıcak hava kullanılır.

Katkı maddeleri bazik veya asidik karekterli olabilmektedir. Baz niteleiği gösteren ve asitlerle birleşerek onları yanmaz hale dönüştüren maddeler "bazik karekterli madde" denir. Demir üretiminde genellikle bazik karekterli madde olarak kalsiyum ve magnezyum bileşiklerinden oluşan kireçtaşı (CaCO3), sönmemiş kireç (CaO), dolomit (Ca, Mg, CO3) ve manyezit (MgCO3) kullanılmaktadır. Bu bileşiklerin fosfor ve kükürt gibi asit karekterli maddeleri bağlama özellikleri vardır. Demir üretiminde asidik karekterli madde olarak genellikle kum, killi şist ve asidik cüruf kullanılır. Şarj fırının üst kısmından konulur. Fırının üst kısmında çift kapak vardır. Böylecek şarj konulurken fırın gazının dışarı çıkması engellenir. Yüksek fırının üst kısmında ısı 250-300°C dir.  Burada doldurualn şarj önce nemi buharlaştırılarak kuru hale getirilir.  Sıcaklığın 300-550°C olduğu bölgede oksijen yanar ve demir yalnız başına kalır. 850-1150°C bölümde katkı maddesi parçalanarak demir filizindeki gang ile birleşir ve cüruf olarak ayrılır. Bu arada demir ile karbon birleşik yapar. Cüruf ve ham demir yüksek fırının alt kısmında bulunan haznede toplanır. Ancak cürufun yoğunluğ demirden az yani hafif olduğu için haznenin üst kısmında toplanır. Daha sonra ham demir ve cüruf farklı kanallardan dışarı alınır.Elde edilen bu ham demire "pik demir" denilir.

Dökme demir, yüksek fırından elde edilen ham demirin kupol ocaklarında karbonunu yakarak %1.7 ila %3' e kadar düşürmek suretiyle elde edilen, düşük sıcaklıklarda ergiyen akıcı bir malzemedir. Ergime sıcaklığı yaklaşık 1250°C dir. Kendini çekme özelliği %k=1~2, yoğunluğu 7.2 - 7.4 g/cm³, karbon oranı yaklaşık %2dir. Yalnızca döküm işlerinde kullanılır. İçerisinde karbonun yanı sıra Silisyum (Si), Manganez (Mn), Kükürt (S), ve Fosfor (P) bulunur. Dökme demirde karbonun yanı sıra silisyum da bulunduğundan ve soğuma hızının yavaş olmasından katılaşma sırasında karbon grafit halinde katılaşır. İçerisindeki karbonun sementit halinde olması nedeniyle çok serttir ve dövülerek biçimlendirilemez.

Dökme demirler, birçok farklı özellik içeren bir demir alaşım ailesidir ve isimlerinden de anlaşılacağı gibi, katı halde çalışılmayıp istenilen şekle dökülerek getirilirler. %2'den ve genellikle %1 den de daha az karbon içeren çeliklerin aksine % 2~% 4 arası karbon ve % 1~%3 arası silisyum içerirler. Belirli özellikleri kontrol etmek ve çeşitlendirmek için başka metalik ve ametalik alaşım elemanları da ilave edilir. Kimyasal yapının yanı sıra özelliklerine etki eden diğer önemli faktörler katılaşma işlemi, katılaşma derecesi ve ısıl işlemlerdir. Dökme demirler mükemmel dökme alaşımları olurlar, geniş bir güç ve sertlik yelpazeleri vardır. Bununla birlikte makinede kullanılmaları da kolaydır. Aşınmaya, çizilmeye ve oksitlenmeye karşı alaşımla kullanıldıkları takdirde büyük direnç gösterirler. Yaygın kullanımları daha düşük fiyatlı oluşlarına ve işlenebilme özelliklerine bağlıdır. Yeni malzemelerin yarattığı rekabete rağmen dökme demirler ekonomik ve binlerce mühendislik uygulamasına uygun malzemeler olduklarını kanıtlamışlardır.

Dökme demirler düşük maliyeti, döküme elverişliliği ve yüksek basma dayanımları sebebiyle geniş kullanım alanına sahiptirler. Dökmedemirler katılaştığı zaman, son katılaşan zerreler ötektiklik seviyesindedir. Eğer başka katkı elemanı yoksa dökme demirde en az %1.7 karbon bulunur. Dokuda %1.7 den az karbon varsa bu malzeme dökme demir değildir ve dokuda ötektiklik yoktur. Dökme demirdeki yabancı maddeler ve katkı elemanları bulunduğu zaman karbon miktarı daha düşük olabilir. Eğer dökme demirde %2 silisyum bulunuyorsa karbon miktarı %1.7 den %1.1 e düşmektedir. Dökme işlerinde kullanılan bu malzeme içinde silisyum fazla ise esmer (kır) dökme demir, manganez fazla ise beyaz dökme demir adını alır.

DÖKME DEMİR ÜRETİMİ

Kupal ocaklarında bir kat kok, bir kat ham demir, ve bir kat kireçtaşı konulmak suretiyle fırına alttan gönderilen basınçlı soğuk hava yardımı ile üç saat içerisinde ergiyik dökme demir fırından alınır. Gerekirse fırına hurda malzemeler ve katkı elemanlar da konulabilir. Kireç taşı hamdemirdeki yabancı maddelerle birleşerek curufu oluşturur. Altta haznede ergiyik üzerinde toplanan curuf, curuf alma kanalından zaman zaman boşaltılır. Altta toplanan sıvı, dökme demir kanalından alınır. Dökme demirin özelliği ve bileşimi ham demir ve fırına eklenen hurda malzemeye bağlıdır.

DÖKÜM MALZEMELERDE ARANILAN ÖZELLİKLER

Döküm malzemelerden istenen verimin alınabilmesi için bazı özelliklere sahip olmaları gerekir.

- Düşük ergime sıcaklığı

- Düşük kendini çekme

- İyi kalıp doldurma kabiliyeti

- İyi işlenebilme kabiliyeti

DÖKME DEMİR ÇEŞİTLERİ

Dökmedemirler iç yapılarına göre çeşitlendirilirler.

- Dökme çelik

- Lamel grafitli dökme demir

- Küresel grafitli dökme demir

- Temper dökme demir

- Özel dökme demirler

Dökme Çelik, dökümden sonra talaş kaldırma dışında başka bir biçimlendirme işlemi görmeyen ve bileşiminde %2' den az karbon bulunan demir karbon alaşımlarıdır. Dökme çeliklerin makine yapımında kullanımı, dökme demirler ve dövme çelikler kadar yaygın değildir.

Bunun nedenleri şöyle sıralanabilir:

- Çeliklerin ergime sıcaklığı yüksek olduğundan (1500 - 1600˚C) güçlü ergitme ocakları (endüksiyon, ark ocakları) ve yüksek sıcaklığa dayanıklı kalıp malzemeleri gerektirir.

- Bazı durumlarda kalıp kumu parça yüzeyine yapıştığından, iyi bir yüzey kalitesi elde etmek için parçanın tümüyle işlenmesi gerekebilir.

- Metalürjik temizlik (dokusu ve mikro yapısı) dökme demirlerden daha önemli olup kimyasal bileşimin de daha dar sınırlar içinde kontrol edilmesi gereklidir.

- Döküm sonrasında malzeme kaba taneli (widmannsaetten) iç yapısına sahip olup yeterli tokluk elde edebilmek için ek bir ısıl işlem yapılması zorunludur.

- Çeliğin akıcılığı ve kalıbı doldurma kabiliyeti düşüktür. Kendini çekme %2 - 3 gibi yüksek seviyelerde olduğundan çekme boşluklarının oluşmaması için özel tedbirler almak gerekir (Besleyici ve soğutucu konmalıdır.).

Dökme çeliklerin Tercih Nedeni;

- Dökme demirlerin dayanım ile süneklik özelliklerinin yetersiz kaldığı,

- Parçaların döküm yöntemiyle üretiminin daha ekonomik olduğu (çok büyük parçalar ve karmaşık biçimler),

- Dökülen parçanın kaynakla birleştirilmesinin gerekli olduğu,

- Seçilen çeliğin plastik şekil vermeye uygun olmadığı durumlarda tercih edilir.

Lamel Grafitli Dökme Demir

Katılaştıktan sonra bileşimindeki karbonun büyük bir kısmı serbest grafit yaprakları (lamel-pul) halinde bulunan bir dökme demir çeşididir. Kırıldığı zaman yüzeyi isli gri görünüşlüdür. Grafitten dolayı rengi esmer olan bu dökme demire Lamel Grafitli Dökme Demir veya Gri  Dökme Demir denir. Lamel grafitli dökme demirin bileşiminde ana yapısı demirden başka karbon, silisyum, manganez, fosfor ve kükürt bulunur. Bileşiminde bulunan bu elementler genel olarak Ham Demir (pik)'den gelmektedir. Kükürt, Lamel Grafitli Dökme Demirin içinde bulunması arzu edilmeyen bir elementtir. Fosforun ise pek az miktarı faydalıdır.

Lamel grafitli dökme demir mikroskopla incelendiğinde, yapısı içinde dağılmış grafit yaprakları görülür. Bu grafit yapraklar, kalın kesitli döküm parçaların yapısında gözle bile görülebilir özelliktedir. Lamel grafitli dökme demir mikroskopla incelendiğinde görülen yapı yukarıda gösterilmiştir.

Esmer dökme demirin kimyasal yapısı aşağıdaki gibidir.

Lamel Grafitli Dökme Demirin bileşiminde bulunan elementler karbon, silisyum, manganez, fosfor ve kükürt bulunduğu belirtilmişti. Bileşiminde bulunan bu elementler, dökme demir çeşitlerinin hemen tamamında bulunur. Bu elementler Lamel grafitli dökme demirin yapısına da çok etki ederler.

Küresel Grafitli Dökme Demir

Dokusu içerisindeki grafitleri küresel şekilde olan demir-karbon döküm malzemedir. Sıvı demire bir miktar kimyasal elementlerin ilavesiyle grafitler yaprak yerine küresel olarak katılaşırlar. Aşağıdaki şekilde  mikroskopta küresel grafitlerin görünüşü verilmiştir.

Bu elementlerin en önemlilerinden ikisi seryum (Ce) ve magnezyum (Mg) dur. Mg, endüstride çok kullanılmaktadır. Magnezyum ve seryumun sıvı demire ilave yöntemleri aynıdır. Reaksiyon prensipleri yönünden de aynıdırlar. Demirler, Magnezyum veya diğer özel elementler ile alaşım yapıldığında, demir içerisindeki grafitler küresel biçimde katılaşarak yüksek dayanım özelliklerinde bir malzemeye dönüşür. Küresel grafitli dökme demir olarak bilinen bu malzeme, dökme demir türleri içerisinde en dayanıklı ve tok olanıdır.

Dökme demir kırılgandır. Küresel grafitli dökme demir (KGDD) ise diğer dökme demirlerden farklı olarak sünektir. Dökme demirin iyi bilinen dökülebilirlik, işlenebilirlik, yüklenme kapasitesi ve üretim özellikleri gibi özelliklerine ilave olarak KGDD‟ lerde geniş mukavemet aralıkları, aşınma direnci, yorulma direnci, tokluk ve süneklik özellikleri vardır. Aşağıdaki şekilde küresel grafitli dökme demirden üretilmiş çeşitli ürünler görülmektedir.

Küresel grafitli dökme demirin mekanik özellikleri oldukça iyidir. Talaşlı imalat işçiliği kolaydır. Korozyona karşı dayanıklıdır. Dökülecek parçaların konstrüksiyon (kesit dağılımı) bakımından sınırlanmasına gerek yoktur. Küresel grafitli dökme demir çok yerde gri dökme demir, dökme çelik ve demir olmayan metal alaşımlarının yerine kullanılmaktadır. Küresel grafitli dökme demirler; "nodular cast iron, ductile iron, fonte sphreroidale graphit, kufelgrapfit gusseisen, spheregus" isimleri ile birçok ülkede tanınır. Türk standartlarındaki adı ise Küresel Grafitli Dökme Demir olup rumuzu "DDK" dır.

Beyaz Dökme Demir

Bileşimlerinde genellikle % 1.8 - 3.6 C ve % 0.5 - 1.9 Si bulunur. Ceş'in düşük olması nedeniyle, karbon katılaşmadan sonra grafit yerine karbür oluşturur.  Kırılma yüzeyi beyaz ve kristalin görünümdedir. Döküm halindeki mikroyapı genellikle perlitik matris içinde iri demir karbürler içermektedir.  Krom ve molibden gibi alaşım elementlerinin ilavesi mikroyapıda alaşım karbürlerinin oluşmasını teşvik eder. Isıl işlemle matris yapısının martensite dönüştürerek sertliğini artırmak mümkündür. Yüksek sertliğe sahip olan beyaz dökme demirler yüksek abrasif aşınma direnci gerektiren mühendislik uygulamasında tercih edilir. Alaşım elementi ilavesi ile korozyon ve ısıl direnci geliştirilebilir.

Temper Dökme Demir

Temper dökme demir, Beyaz Dökme Demirin temperleme olarak tabir edilen ısıl işlemle mikroyapıdaki karbürlerin parçalanması sonucu rozet şekilli grafitlerin (temper karbon) oluştuğu dökme demir türüdür. Tamamen grafitsiz sert ve kırılgan beyaz dökme demirin, temperleme denilen ısıl işlem ile karbürlerinin parçalanması sonucu oluşan, yüksek mukavemetli, sünek, iyi işlenebilme özelliğine sahip ve mikroyapısı ferrit ve temper karbonundan meydana gelen dökme demir tipidir. Beyaz temper döküm, beyaz dökme demirin, okstileyici bir ortamda tavlanmasıyla elde edilir. Dekarbürizayon esasına dayanan bu yöntemde, karbonun tümü Fe3C halinde bulunan beyaz dökme demirden parçalar, demir oksitle kaplanarak uzun süre yüksek sıcaklıkta tutulur. Parça yüzeyinin devamlı dekarbürize olması, bünyedeki Fe3C' nin giderek parçalanmasına ve karbonun difüzyon yoluyla, yüzeye doğru yayılmasına neden olur.

Siyah Temper Döküm ise, beyaz dökme demirin nötr bir atmosfer ortamında tavlanmasıyla (temperlenmesiyle) elde edilir. Temper Dökme Demir, beyaz dökme demirin 900 - 950 °C' ye kadar ısıtılması ve yavaş soğutulması ile elde edilmiştir.

Özel Dökme Demirler

- Korozyona dayanıklı alaşımlı dökme demirler

- Ferritik matriksli yüksek silisyumlu dökme demirler

- Ferritik matriksli yüksek kromlu dökme demirler

- Ostenitik matriksli yüksek nikelli dökme demirler

Yüksek silisyumlu dökme demirler % 15 civarında silisyum içerirler. Böylece sülfirik asite karşı yüksek direnç gösterirler. Yüksek kromlu dökme demirler % 20 - 35 krom içerirler. Oksitleyici asitlere ve korozyona karşı direncini artırır. Dirence dayanıklı yüksek kromlu dökme demir, %2.6 C, %17 Cr, %2 Mo, %2 Ni içerir.

Bu web sayfasındaki yazılı ve görsel bütün bilgilerin yayın hakları Hamit ARSLAN' a aittir. Hamit ARSLAN' ın yazılı izni olmaksızın kısmen veya tamamen alıntı yapılamaz, kopya edilemez, elektronik, mekanik, dijital, fotokopi ya da herhangi bir kayıt sistemiyle çoğaltılamaz ve yayınlanamaz.


Facebook Twitter Google+ LinkedIn Pinterest Addthis