Dökme Demirler

Demir cevherinin indirgenmesi ve ergitilmesi yoluyla elde edilen ve içinde %2 den fazla C ve diğer alaşım elementleri içeren (Mn, Si, F, Cr, …) bir Fe-C alaşımına pik denir. Elde edilen pikin fırınlardan yeniden geçirilerek bazı metalurjik işlemlerden geçirildikten sonra bir kalıp içine boşaltılması ve kalıp boşluğu şeklini alarak katılaşması ile meydana gelen malzemeye dökme demir adı verilir. Dökme demirler Fe-C diyagramına baktığımızda %2 den %6.67 ye kadar dökme demir olarak gösterilir. Ancak yüksek karbon oranı kırılganlığa sebebiyet verdiği için pratikte % 4,4'e kadar karbon ve %3.5'a kadar silisyum içeren bir Fe-C-Si alaşımı olarak bilinir ve çok az süneklik gösterirler, dolayısı ile şekillendirilemezler. Bununla beraber, kolayca ergitilebilir ve genellikle son boyutlarda imal edilen karmaşık şekillerde dökülebilirler. Bu alaşımlara uygulanan en iyi imalatın döküm olmasından dolayı dökme demirler olarak isimlendirilirler. Dökme demirler gevrek ve çeliklerden daha düşük mukavemet özellikleri göstermelerine rağmen, ucuzdurlar.

Dökülebilirlikleri daha kolaydır. Bunların yanı sıra, uygun alaşımlandırma, iyi döküm kontrolü ve uygun ısıl işlemlerle herhangi bir çeşit dökme demirin özelliklerini çok geniş bir aralıkta değiştirmek mümkündür. Döküm endüstrisinin bir çok özelliklerinden dolayı en büyük üretim kapasitesi dökme demirlere aittir. Dökme demirler, gerek döküm ve gerekse üretilen parça özellikleri bakımından birçok üstünlüklere sahiptirler. Bunların başlıcaları: Dökme Demirlerin Genel Özellikleri Çok geniş bir aralıkta mekanik/fiziksel özellik göstermesi, mesela, mukavemet 10 Kg/mm2 ile 160 Kg/mm2 arasında değişir. Sertlik ise 120-300 Brinell arasında değişirken, özel aşınmaya dayanıklı dökme demirlerde 600 Brinell değerindedir. 2. Basma mukavemetinin yüksektir. İyi mukavemet- ağırlık oranı gösterirler.

3. Diğer malzemelerle karşılaştırıldığında mukavemet başına Daha düşük maliyet, 4. Aynı mukavemet seviyelerinde karşılaştırıldıklarında, Çeliklere göre daha düşük yoğunluk ve daha yüksek termal iletkenlik gösterirler. 5. Yüksek hız ve üretim kapasitelerde Mükemmel işlenebilirlik gösterirler. Özellikle yapıdaki serbest grafit yağlayıcı özelliği göstererek işlemleri kolaylaştırır ve enerjiyi minimuma indirir. 6. Özellikle gri dökme demirler mükemmel sönüm kapasitesi özelliği gösterirler. Titreşim söndürme kapasitelerinin iyi oluşu onları motor bloğu üretiminde alternatifsiz kılar. 7. Aşınma ve korozyona dayanımı yüksektir. Korozyon direnci, oksidasyon direnci, aşınma gibi çeşitli özellikleri iyileştirmek için kimyasal analiz değiştirilebilir. Elementler ilave edilebilir. 8. Tasarımdan final ürününe hızlı geçiş yapılır. Çünkü üretim aşamaları basit ve kolaydır. 9. Gramlardan 100 tonlara kadar karmaşık geometrilerde ve farklı kesit kalınlıklarında üretilebilirler. 10. Ötektik bileşime yakın olduklarından iyi dökülebilirlik özellikleri gösterirler. Düşük ergime sıcaklıklarına sahiptirler. (1150 -1300°C), ve ergime sıcaklığının düşük olması sebebiyle de ucuzdur. 11. Düşük, orta veya yüksek tonajlı döküm işlemlerinde çeşitlilik gösterirler. Kimyasal bileşim sınırlarının geniş tutulabilmesi ve yakın özellikler elde edilebilmesi üretim kolaylığı sağlar.

Bu değişkenler karbonun türünü ve morfolojisini de kontrol ederler. 12. Eşdeğer malzemelerle karşılaştırıldığında oluşan artık gerilimlerin daha az çarpılmaya sebep olduğu görülmüştür. 13. Mühendislik ve üretim ihtiyaçlarına cevap verebilecek geniş bir aileye (Gri dökme demir, Küresel grafitli, silindirik grafitli, temper dökme demir ve beyaz dökme demir) sahiptir. Dökme demirlerin sınıflandırılmasında en başarılı yöntem, döküm mikroyapısına göre yapılan sınıflandırmadır. Demir dökümlerde mikroyapıyı kontrol eden başlıca dört faktör bulunmaktadır. Bunlar; karbon içeriği, alaşım elementi veya emprüte miktarı, katılaşma sırasında ve katılaşma sonrası soğuma hızı ile dökümden sonraki ısıl işlemlerdir. Bu değişkenler karbonun türünü ve morfolojisini de kontrol ederler. Karbon sementitle bileşik halde veya grafit ile serbest karbon olarak bulunabilir. Bu çerçeveden bakıldığında dökme demirler 5 sınıfta toplanabilirler.

Beyaz dökme demir (BDD): Karbonun tamamı sementit ile bileşik haldedir. Katılaşma sıcaklığından hızlı soğuma ile elde edilirler ve bütün beyaz dökme demirler ötektikaltı alaşımlardır. Tipik mikroyapısı sementit (Fe3C) ve perlitten meydana gelir. Sementit, sert ve gevrek bir bileşiktir. Beyaz dökme demirde önemli oranlarda bulunmasından dolayı bütün beyaz dökme demirler sert ve aşınmaya karşı dirençlidirler. Son derece gevrek ve işlenebilmesi zordur. Bu sebeple mühendislik uygulamalarında kullanımı sınırlıdır. Aşınma direncinin önemli olduğu ve süneklik istenmeyen uygulamalarda kullanılırlar.

Düşük silisyum içerirler (1 Düşük silisyum içerirler (1.0 wt% Si veya daha az) ve hızlı soğurlar, Karbonun tamamı grafit yerine sementit olarak çökelir.  Karbonun tamamı Fe3C (Sementit)  Mikroyapı = Perlit + Ledeburite + Sementit

• hızlı soğuma • pearlit + karbonun tamamına yakını sementit, grafit yok • çok sert ve gevrek • mikroyapı soğuma ile değişebilir; beyaz dökme demirde hızlı soğumaya ihtiyaç vardır; yavaş soğuma şartlarında gri dökme demir oluşur. Yüksek miktardaki sementit fazı yüzünden, beyaz dökme demir son derece sert ve gevrektir. İşlenebilirliği zordur. Bu sebeple süneklik istenmeyen, sert ve aşınma direnci istenen alanlarda sınırlı uygulamaları vardır. Mesela, hadde milleri, değirmenlerdeki öğütücü bilyalar. Ancak, en büyük kullanım alanı , temper dökme demir üretimindedir.

TEMPER DÖKME DEMİRLER Malleable Cast Iron Karbon içeriğinin önemli bir kısmı veya tamamı 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 kalan karbon çok yavaş soğuma hızı ile rozet şeklini alır ve temper karbonunu oluşturur.

Temper dökme demirin iki türü vardır. (i) ferritik (ii) perlitik. Ticari uygulamada temper dökme demir denince akla ferritik temper dökme demir gelir. Ferritik temper dökme demirin de (i) beyaz temper döküm (ii) siyah temper döküm olmak üzere iki grupta toplandığı görülür. Beyaz temper döküm oksitleyici bir atmosferde Avrupa'da üretilir ve ferritik matrikste temper karbonu dağılmış haldedir. TSE’ ye göre rumuzu BTD’ dir. Siyah temper döküm ise, beyaz dökme demirin nötr bir ortamda tavlanması ile Amerika'da üretilir. TSE’ ye göre rumuzu STD’ dir. Her iki temper dökme demirin kimyasal bileşimleri pek farklı değildir. Fakat uygulanan temperleme işlemlerinin farklı olması, yapılarının ayrı ayrı oluşmasına sebep olur. Perlitik temper dökümler de bileşik karbon içerirler, bu sebeple ferritik temper dökümlerden daha yüksek mukavemet ve süneklik gösterirler.

Temper dökme demirin bileşimindeki elementlerin % değerleri genellikle Tablo da görüldüğü gibidir. TEMPER DÖKME DEMİR ÜRETİMİ Önce beyaz dökme demir elde edilir. Daha sonra ısıl işlem yapılır. Temperleme fırınları kamaralı ve tünel şeklindedir. Isı tasarrufu bakımından tünel şeklinde yapılan fırınlar her zaman tercih edilir. Tünel şeklindeki fırınlar seri çalışır. Büyük işletmeler için en uygun fırın tipi budur. Temperleşecek döküm parçalar, dökme demir, çelik döküm, krom nikelli veya çelik sacdan yapılan kasalar içinde tav fırınlarına yerleştirilir. Kasalar içine konan döküm parçaların aynı kesitlerde olması gerekir. Tavlama sıcaklığı parçaların kesitlerine göre ayarlanır. Çelik dökümden yapılan kasalar 120, dökme demirden yapılan kasalar ise 20 defa kullanılabilir. Temperleşecek parçalar kasalara konulduktan sonra arabalar ile veya fırın tavanı açılarak fırına yerleştirilir.

Siyah Temper Dökme Demir (STD) • Beyaz dökme demir, nötr bir ortamda tavlandığında siyah temper dökme demire dönüşür. Tavlanacak döküm parçalar, kuru silis kumu ile beraber kasalara yerleştirilir. Parçaların kasalara yerleştirilmeleri düzenli yapılmalıdır. Kasanın hava alabilecek olan yerleri çamur haline getirilmiş şamut ile dikkatlice kapatılır, sonra kasalar fırına yerleştirilir. Temperleme işleminde zaman, döküm parçaların kesit kalınlığına ve uygulama metoduna göre 2 – 6 gün arasında değişir. Isıl işlemin yöntemine göre ferritik veya perlitik yapı gösterir.

Siyah Temper Dökme Demirin Özellikleri Siyah temper dökme demirin makine işçiliği iyidir. Korozyona dayanımı çinko, kadmiyum, alüminyum ve kurşun ile kaplanarak arttırılır. Aşınma direnci iyidir. Gri dökme demire göre daha az olmakla beraber, oldukça iyi titreşim söndürme özelliği vardır. Siyah temper dökme demirlere kaynak yapılamaz. Çünkü kaynak yerleri çok gevrek olur ve kırılır.

Beyaz Temper Dökme Demir (BTD) Beyaz temper dökme demir siyah temper dökme demire nazaran yüksek karbon ve düşük silis ihtiva eder. Oksitleyici bir ortamda ve karbonun indirgenmesi ile 980 – 1050 °C arasında, tavlanacak malzemeler hematit filizine ( Fe2O3) veya tufal (Fe2O) e gömülü halde tav fırınlarında tavlanır. Et kalınlığına bağlı olarak, 3 – 6 gün arası tavlananır.

Beyaz Temper Dökme Demirin Özellikleri Beyaz temper dökme demirden yapılan parçalara, güç de olsa kaynak yapılabilir. İnce kesitli parçalar lehimlenebilir. Makine işçiliği, siyah temper dökme demire göre daha iyidir. Aşınma direnci azdır.

Temper Dökme Demirlerin Tercih Edilmesi Temper dökümler ve küresel grafitli dökme demirler genellikle aynı uygulama alanları için üretilirler. Aralarındaki seçimlerde özelliklerinden çok üretim maliyetleri veya üretilebilme imkanları önemli faktör olmakta ve ancak bazı özel durumlarda önem kazanmaktadırlar. İnce et kalınlığındaki parçalarda, Soğuk şekil verilecek veya dövülecek parçalarda, Yüksek işlenebilme gerektiğinde, Düşük sıcaklıklarda yüksek çarpma dayancı gerektiğinde, Aşınma direncinin gerektiği bazı özel uygulamalarda (martensitik temper d.d. gibi) Yüksek elastik modül gerektiren bazı özel uygulamalarda (KGDD'lere nazaran % 10-15 yüksek olduğu için)

GRİ DÖKME DEMİRLER Katılaştıktan sonra bileşimindeki karbonun büyük bir kısmı serbest grafit yaprakları (lamel) halinde bulunan bir dökme demir çeşididir. Kırıldığı zaman, yüzeyi gri görünüşlüdür. Grafitten dolayı rengi gri olan bu dökme demire, GRİ DOKME DEMİR denir. Dökme demir çeşitleri içinde en çok kullanılanı olan bu dökme demir aynı zamanda LAMEL veya KIR DÖKME DEMİR olarak da tanınır. Gri dökme demirin kimyasal bileşimi, yapısı ve özellikleri geniş sınırları içinde değişmektedir. Gri dökme demire, birçok özelliklerini değiştirmek ve geliştirmek için nikel, krom, molibden, alüminyum, bakır vb. alaşım elemanları katılır.

En çok kullanılan dökme demir sınıfını oluşturur. Bileşimindeki karbonun büyük bir kısmı serbest grafit lamelleri halinde bulunur. Genellikle ötektik üstü demirlerdir ve % 2.5-4 arasında karbon içerirler. Gri dökme demirin mekanik özellikleri doğrudan doğruya döküm yapısına ve grafit morfolojisine bağlıdır. Grafit-ferrit karışımı bir mikroyapı en düşük mukavemetli gri dökme demiri verir. Karbon miktarının artmasıyla birlikte malzemenin mukavemet ve sertliğinde de artma görülür. Gri dökme demirler çok çeşitli özellikler göstermelerinden dolayı mühendislik alanında birçok uygulama sahası bulmuştur. En önemli özelliklerinden, titreşim söndürme kabiliyetinin olması, yüksek mukavemet göstermesi ve ucuz olmasıdır.

KİMYASAL BİLEŞİMİ Gri dökme demirin bileşiminde, demirden başka, karbon, silisyum, manganez, fosfor ve kükürt bulunur. Bileşiminde bulunan bu elementler, genel olarak hamdemir (pik) den gelmektedir. Kükürt gri dökme demir içinde bulunması pek arzu edilmeyen elementtir. Fosforun ise pek az miktarı faydalıdır. Gri dökme demir ismini kırık yüzeyin gri renginden alır. Grafit fleykleri ferrit veya perlitik matriks ile çevrilidir. • Çekme yüklerinde kırılgan ve gevrek (grafit fleyklerinin ucu keskindir. Böylece uçlar gerilim arttırıcı etkisi gösterir. • Basma yüklerinde çok dayanıklı • Çok iyi titreşim sönümleme • Aşınmaya dirençli • Silisyum içeriği ve soğuma hızı mikroyapıyı etkiler. • Dökümde çekinti oranı düşüktür.

KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER ( Sfero ) Esas olarak, küresel grafitli dökme demir, lamel grafitli dökme demir bileşimindedir. Ancak üretim esnasında, kullanılan hammadeler, ferroalaşımlar, ergitilen pik ve üretim prosesleriyle grafitler küresel norma sokulmaktadır. Küresel grafitli dökme demirler ‘’Noduler Cast Iron ‘’, ‘’Ductile Iron ‘’, ‘’ Fonte Spheroidale Graphite’’, ‘’ Kugelgraphit Gusseisen’’, ‘’Spheregus’’ isimleriyle bazı ülkelerde tanınır ve standartlara bu isimlerle geçmiştir. D.D.K. (Dökme Demir Küresel) Kısaltmasıyla Türkiye’de literatüre girmiştir. Aynı zamanda nodüler, sfero ve düktil demir gibi isimlerle de anılan bu tür dökme demirlerde karbon, grafit küreleri halindedir. Karbonun lamelden küre haline geçişini sağlamak için ergimiş demir, döküm öncesinde aşılama işlemine tabi tutulur. Küreler katılaşma yoluyla sağlandığı için temper dökme demirden farklıdır. Ayrıca grafit şeklinin lamel yerine küre oluşu da, dökme demire süneklik ve mukavemet kazandırır. Çünki gri dökme demirde grafitler lameller halinde ve keskin köşelidir. Malzeme her hangi bir gerilim yüklemesine maruz kaldığında grafit köşelerinde gerilim yüklemesi meydana gelir. Çatlak oluşumu önce bu bölgelerde başlar ve matrisde devamsızlık oluşturur. Küre şekilli grafitlerde bu tür bir olay meydana gelmediğinden, benzer yapıdaki gri dökme demirle mukayese edildiğinde küresel grafitli dökme demirler daha yüksek mukavemet ve tokluk gösterir.

Alman (DIN) standartlarında Küresel grafitli dökme demirlerin sınıflandırılışı aynen T.S.E.’deki gibidir; ancak işareti G.G.G. olarak verilmektedir.

Küresel Grafitli Dökme Demir, Çeşitli Endüstri Alanlarında Kullanılır. MADENCİLİK VE METALURJİ: Kırıcı Gövdeler, Alüminyum ve Kurşun Ergitme Potaları, Sıcak Hadde Merdaneleri. MAKİNA: Hidrolik Presler, Silindirler, Dişliler. TARIM: Traktör Parçaları, Pedallar, Transmisyon Kutuları. İNŞAAT: Yağmur Suyu Izgaraları ve Bakım Rogarı Kapama Elemanları ,Vinç Parçaları, Karıştırıcılar, Yol ve İnşaat makineleri KİMYA: Valfler, Pompalar, Plastik Karıştırıcılar. OTOMOTİV: Diferansiyel Dişli Kutusu. GÜÇ:Kompresör Gövde Ve Kafaları, Brülör Gövdeleri, Isıya Dayanıklı Fırın Parçaları

Silindirik Grafitli Dökme Demir(SGDD): Silindirik grafitli dökme demirler gri dökme demirle küresel grafitli dökme demir arasında yer almaktadır. Çok çeşitli isimlerle anılır. • Vermiküler GDD • Kompakt (Compact) • Lamelimsi DD • Yüksek mukavemetli DD Önceleri KGDD üretiminde başarısız bir üretim olarak kabul edilen bu dökme demirlerin özellikleri araştırıldığında Lamel grafitli dökme demirden üstün KGDD in mekanik sağlamlığına yaklaştığı görülmüştür. Bundan başka, Isı iletkenliği KGDD den üstün Lamel grafitli dökme demire yakın olduğu anlaşılmıştır. Silindirik, Gri ve Küresel grafitli dökme demirler arası özelliklere sahip yeni bir sınıf dökme demir olarak 1980 ' li yıllarda ortaya çıkmıştır. Kendine has özellikleri nedeniyle ; gri dökme demirlerden daha fazla mukavemet ile süneklilik gerektiren yerlerde ve dökülebilirlik ,akma mukavemeti, işlenebilme, ses sönümü,ısıl iletkenlik ile maliyet avantajının küresel grafitli dökme demirden daha az olması gerektiği durumlarda silindirik grafitli dökme demir tercih edilir ve kullanılır.

Dökme demirlerin en önemli özelliklerinden biri oluşan titreşimleri sönümleme kapasitesidir. Aşağıda Gri, Küresel ve Silindirik grafitli dökme demirlerin sönüm kapasiteleri mukayese edilmektedir.

Yüksek alaşımlı dökme demirler Alaşımlı dökme demirlerin korozyon, aşınma, ve ısıl direnci esas olarak kimyasal bileşimi ve mikroyapısına bağlıdır. Isı ve korozyon direnci gelişmiş olan alaşımlı dökme demirlerin üç ayrı grupta toplayabiliriz;  Yüksek Silisyumlu Dökme Demirler (Silal)  Yüksek Kromlu (Ni-Hard) Dökme Demirler  Yüksek Nikel içeren (Ni-resist) Dökme Demirler Cevher kırıcıları, öğütücü değirmen bilyeleri, çeşitli astarlar, tarım alet ve makinaları, pistonlar ve dişlileri, çeşitli konveyörler, greyder bıçakları, pompalar, diskler, tuğla kalıpları, segmanlar ve çubuklar, madencilik ve mineral sanayi gibi yüksek aşınma direnci gerektiren yerlerde yüksek alaşımlı beyaz dökme demirler kullanılır.