5. Dökme Demir ve Çelikler

Metalik Malzemeler genel olarak; -Demirli metaller ve -Demir dışı metaller olmak üzere iki grupta toplanabilir. Saf metaller; yumuşak ve düşük mukavemetli olmalarına karşın, alaşımlandırma, soğuk şekil verme ve ısıl işlem uygulayarak sertlik ve mukavemetleri oldukça arttırılabilir.

Demirin karbonla yaptığı alaşımlar, endüstride en çok kullanılan alaşımlar olup, bunlar dökme demirler ve çeliklerdir. Genellikle % 2’ ye kadar C içeren Fe-C alaşımlarına çelik, % 2’ den fazla karbon içeren Fe-C alaşımlarına dökme demir denir. Fe ve C dışında ham maddeden gelen Mn, Si ve az miktarda P, S bulunur. P ve S mümkün olan en düşük değerde tutulur.

Çelik ve Dökme Demirin Mikroyapısı a) Lamel Grafitli Dökme Demir b) Ötektoit altı çelik Çelik ve Dökme Demirin Mikroyapısı a) Lamel Grafitli Dökme Demir b) Ötektoit altı çelik

Malzeme-II ÇELİKLER Demir filizinden yüksek fırında elde edilen ham demir (pik demir), genellikle doğrudan doğruya kullanılmaz. Örneğin, kupol ocağında tekrar ergitilip, gerekli katkılar yapıldıktan sonra istenilen şekli vermek üzere kalıplara dökülür (dökme demir).

Yüksek Fırın a) Redükleyici ve ısı oluşumu C + O 2 CO 2 + ısı CO 2 + C 2 CO Yüksek fırında oluşan reaksiyonlar: b) Cevherin redüklenmesi Fe 2 O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO 2

Ham demirde yaklaşık olarak % 4 oranında karbon bulunur (ağırlık olarak). Bu karbon; - Thomas, - Oksijen üfleme (LD), - Siemens-Martin, -Elektrik Arkı ve İndüksiyon Akımı gibi çeşitli yöntemlerle; % 2’ nin altına düşürülerek çelik elde edilir.

Çeliği dökme demirden ayıran en önemli özellik (karbon miktarından başka), herhangi bir ek işlem gerektirmeksizin sıcak veya soğuk olarak dövülebilmesi veya şekillendirilebilmesidir. Ayrıca, çeliğe döküm yoluyla şekil vermek de mümkündür (çelik döküm).

Çelikler genellikle, alaşımsız (karbon çelikleri) ve alaşımlı çelikler olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Alaşımsız çelikler, bileşiminde demir ve karbondan başka, aşağıda belirtilen üst sınırları genellikle aşmayan kimyasal elementler bulunabilen ve özel amaçlarla başka elementler içermeyen çeliklerdir. Si % 0.5, Mn %1.0, Al % 0.1, Cu % 0.25, P % 0.09, S % 0.06

Çeliklere değişik oranlarda Mn, Cr, Ni, Si, MO, V, W gibi elementler ilave edilerek alaşımlı çelikler üretilir. Alaşımlı çelikler de; - Az alaşımlı ( alaşım elementleri toplamı % 5 ’in altında ) veya, - Yüksek alaşımlı ( alaşım elementleri toplamı % 5’ den fazla ) olabilir. Alaşım elementleri, ötektoit noktasını % 0.8’ den daha küçük karbon miktarlarına kaydırdıkları gibi, A1, A3 ve Acm sıcaklıklarını da değiştirirler. Çelikte, P ve S miktarlarının her biri eğer; % 0.050’ den küçük ise, kalite çelikleri, % 0.035’ den küçük ise, asal çelik söz konusudur.

Demir (Fe) - Sementit (Fe 3 C) Faz Diyagramı

Fe-C Faz diyagramının Çeliklerle ilgili kısmı

Perlitin mikroyapısı a)Tabakalı (lameler) b) Küreleştirilmiş

Fe-Fe 3 C faz diyagramının önemli özellikleri Farklı sıcaklıklarda demirin üç kararlı yapısı vardır. –Düşük sıcaklıklardaki kararlı faz, fazıdır ve KHM’ dir. Buna -demiri veya ferrite denir. –912 o C’da, KYM kristal yapıya dönüşür.Bu faza , ostenit, veya austenite denir. –Demir, ısıtmayla 1394 o C’ de, KHM yapıya dönüşür ve bu demire  veya -ferrite denir. Ferrite, oda sıcaklığında % 0.01’ den fazla karbon çözündüremez, ostenit ise daha fazla karbon çözündürebilir. Bu, KYM kafesin daha büyük boşluğa sahip olmasındandır.

Fe-Fe 3 C faz diyagramının önemli özellikleri 727 o C’ sıcaklıkta bir ötektoit reaksiyon vardır. Bu reaksiyon, aşağıda gösterildiği gibidir:  Fe 3 C , KYM’li yapıda karbonun çözündüğü tek fazlı bir katı eriyiktir.  (ferrit), eriyikte az miktarda karbon içeren yumuşak bir fazdır. Fe 3 C (sementit), ferritte dislokasyon hareketini engelleyen sert ve gevrek bir fazdır. Bu yüzden mukavemeti arttırır, fakat sünekliği azaltır.

Ötektoit bileşimden farklı alaşımlar Eğer karbon miktarı, ötektit bileşimden az ise, bu alaşıma ötektoit altı (hypoeutectoid) çelik denir. Eğer karbon miktarı, ötektit bileşimden fazla ise, ötektoit üstü (hypereutectoid) çelik denir. Ötektoit bileşim % 0.77 C’ dur ve genellikle %0.8’ e yuvarlatılır. Yavaş soğuma esnasındaki mikroyapı gelişimi ötektik alaşımlardaki gibidir. Perlit ( + Fe 3 C), iki mikroyapı bileşeninden oluşur : Birincil  ve birincil Fe 3 C.

Ötektoit Çeliğin Yavaş Soğuması Mikroyapı, ötektik yapıya benzer.  ve Fe 3 C’ ten oluşan iki fazlı, tabakalı (lamaler) yapıya pearlite denir.

Ötektoit yapı ve ötektoit oluşumu

Demirin Kristal Yapıları 910˚C 1390˚C 1535˚C OSTENİT (gamma) SIVI FERRİT (delta) FERRİT (alpha) FERRİT Kübik Hacim Merkezli (KHM) OSTENİT Kübik Yüzey Merkezli (KYM)

Kübik hacim merkezli (KHM), Kübik yüzey merkezli (KYM) ve Hacim merkezli tetragonal (HMT) kristal yapıları

Demir-Sementit Sistemindeki Faz Dönüşümleri a ) Peritektik dönüşüm : ( S + δ γ ) : Bu dönüşüm % 0.18 C içeren alaşımsız çelikte 1492 °C sıcaklıkta meydana gelir. b ) Ötektik dönüşüm : ( S γ + Fe з C ) : Bu dönüşüm % 4.3 C içeren Fe-C alaşımında 1130 °C sıcaklıkta meydana gelir. c ) Ötektoid dönüşüm ( γ α + Fe з C ) : % 0.80 C içeren çelikte 723 °C sıcaklıkta meydana gelir.

Çeliklerde Soğuma Sırasında Oluşan İç Yapılar

Çeliklerle ilgili faz analizleri: Fe, karbonla metallerarası bileşik (sementit) yapar. Karbonun atom ağırlığı 12 Demirin atom ağırlığı 56 olduğuna göre; Ağırlık olarak sementit içerisinde, C bulunur. Çok yavaş soğuma şartlarında Fe ’in C ’la bileşik yapması önlenerek Fe-C (grafit) denge diyagramı elde edilir. Fe 3 C Aksi takdirde, Fe-Fe 3 C (yarı dengeli) faz diyagramı elde edilir.

a) % 0.5 C içeren alaşımsız çeliğin, oda sıcaklığında iç yapısında bulunan fazların oranlarının bulunması A B C A B C Kaldıraç kuralına göre; Ferrit oranı = % 0.3 / 0.8 * 100 = % 37.5 Perlit oranı = % 0.5 / 0.8 * 100 =% 62.5 Ferrit (α) Perlit (α+Fe 3 C)

b) % 1.2 C içeren çeliğin oda sıcaklığında, iç yapısında bulunan fazların oranlarının belirlenmesi C D E C D E 0,8 1,2 6,7 0,8 1,2 6,7 Perlit Sementit Perlit Sementit Perlit oranı = % 5.5 / 5.9 * 100 = % 93.2 Sementit oranı = % 0.4/ 5.9* 100 = % 6.8

c. Oda sıcaklığında, ötektoit çeliğin yapısındaki ferrit ve sementit fazlarının oranlarını bulunuz. S  Buradaki ferrit ve sementit, ötektoit dönüşümde oluşan fazlardır (birincil ferrit ve birincil sementit).

d. %0.3 C içeren Fe-C alaşımının yapısında bulunan fazları ve oranlarını bulunuz. F._____.____________.P %0.8’den daha az karbon içerdiğinden ötektoit altı bir çeliktir. Yapısında ferrit ve perlit fazları bulunur. Buradaki ferrit ötektoit öncesi veya perlit dışı ferrittir.

e. Oda sıcaklığında yapısında %80 ferrit bulunan ötektoitaltı çeliğin karbon bileşimini bulunuz. F.____.___________.P 0 χ 0.8 Yapı %80 ferrit ve %20 perlitten oluşmaktadır. Buradaki ferrit, ötektoit dışı (ötektoit öncesi) ferrittir.

f. Oda sıcaklığında, yapısında toplam %80 ferrit bulunan çeliğin karbon bileşimini bulunuz. F.____.__________.S 0 χ 6.7 %80 ferrit ise, kalan %20 sementittir. Buradaki toplam ferritten, perlitin içindeki ve dışındaki ferritlerin toplamı anlaşılmalıdır.

Ötektoit Üstü Çeliğin Mikroyapısı Tane sınırlarında birinci sementit ( Fe 3 C ) Perlit %1.4 C’lu Ötektoit üstü Çelik

Ötektoit Üstü Çeliklerdeki Dönüşümler Yavaş soğumada, tane sınırlarında birincil veya ötektoit öncesi Fe 3 C, daha sonra da A 1 ’in altında perlit oluşur.

ÇELİKLERİN SINIFLANDIRILMASI İçerdiği alaşım elementlerine göre; 1. Alaşımsız (karbon) çelikler, 2. Alaşımlı çelikler, 2.1. Düşük (alçak) alaşımlı çelikler (%5’den az), 2.2. Yüksek alaşımlı çelikler (%5’den fazla). İçerdiği karbon miktarına göre; 1. Düşük (az) karbonlu çelikler (%0.2’ye kadar C), 2. Orta karbonlu çelikler (% %0.55 C), 3. Yüksek karbonlu çelikler (%0.55’den fazla C). Mikro yapısına göre; 1. Ötektoit altı çelikler (%0.8’den az C), 2. Ötektoit çelikler (%0.8 C), 3. Ötektoit üstü çelikler (%0.8’den fazla C)

ÇELİK TÜRLERİ (Kullanım alanlarına göre çelikler) 1. Genel Yapım çelikleri Minimum çekme mukavemetlerine göre adlandırılırlar. Genellikle ısıl işlem için öngörülmezler, karbon içerikleri %0.25’den az olan çeliklerdir. Kaynak için uygundurlar, örneğin, derin çekme ve karasori yapımında kullanılırlar. 2. Makine Yapım Çelikleri Mukavemet değerleri ile birlikte, tokluğun da yüksek olması istenen durumlarda kullanılan ıslah edilmiş çeliklerdir. Karbon miktarı %0.35 va daha az olan alaşımsız ve az alaşımlı çelikler suda, diğerleri yağda sertleştirilir. 3. Sementasyon Çelikleri Alaşımlı veya alaşımsız olabilirler. Genellikle %0.2 veya daha az karbon içerirler. 4. Nitrürasyon Çelikleri Nitrür oluşturucu alaşım elementlerini içeren çeliklerdir.

ÇELİK TÜRLERİ (Devam) 5. Otomat Çelikleri Kısa ve kırılgan talaş vererek, yüksek kesme hızlarıyla işlenebilen ve bu sırada yüzeyi düzgün kalan çeliklerdir. 6. Civata ve somun çelikleri Civata ve somun imalatında kullanılan çeliklerdir. 7. Kazan Çelikleri Sıcaklığa dayanıklı ve kaynak kabiliyeti iyi olan çeliklerdir. En çok 500 o C’ a kadar yeterli sürünme, yaşlanma ve tufal dayanıklılığı gösterirler. 8. Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Çelikler Genellikle 500 o C’ in üzerindeki işletme şartlarında, örneğin buhar ve gaz türbinleri, tepkili motorlar, fırınlar vb. yerlerde kullanılan çeliklerdir. 9. Paslanmaz Çelikler Yüksek krom içeriklerinden dolayı (%12’den fazla), özellikle oksitleyici ortamların korozyon etkisine dayanıklı çeliklerdir. Ferritik, ostenitik ve martenzitik olan türleri vardır. 10. Süpap Çelikleri İçten yanmalı motorların emme süpapları için C45, 37MnSi5 vb. gibi makine yapım çelikleri genellikle yeterlidir. Egzost süpapları için yüksek sıcaklığa ve korozyona dayanıklı çelikler gerekir.

ÇELİK TÜRLERİ (Devam) 11. Rulmanlı Yatak Çelikleri Yüksek yüzey basıncına ve aşınmaya dayanıklı, ötektoit üstü kromlu çeliklerdir. 12. Yay Çelikleri Yüksek elastiklik veya akma sınırına ve aynı zamanda sarılabilecek kadar plastik şekil değiştirme kabiliyetine sahip çeliklerdir. 13. Takım çelikleri Talaşlı imalatta (eğeleme, tornalama, frezeleme vb.) ya da talaşsız şekillendirmede (soğuk veya sıcak çekme, haddeleme, zımbalama, dövme, derin çekme vb.) kullanılan takımların yapıldığı çeliklerdir. 14. Elektrik Makinaları İçin Çelikler Elektrik makinaları yapımında kullanılan manyetik çeliklerde yüksek geçirgenlik ve mümkün olduğu kadar az histerisiz kayıbı istenir. Bu özellikler, karbon miktarının azaltılıp, silisyum miktarını artırmakla elde edilir (dinamo ve transformator sacları-silisli saclar). 15. Dökme Çelikler Herhangi bir çelik, ergitilip bir kalıba dökülerek son şeklini aldığı takdirde dökme veya döküm çelik adını alır.

DÖKME DEMİRLER Yüksek karbon miktarı (%2 - 4) dolayısıyla, sıvı durumda akıcılıkları yüksek olduğu için döküme çok elverişli demir alaşımlarıdır. Ayrıca ergime sıcaklıkları da çeliğe göre daha düşüktür. Dökme demirler, ham demirin tekrar ergitilip, gerekli katkılar yapılarak istenilen bileşime getirilmesiyle elde edilir. Ergitme için çoğunlukla kupol ocağı, bileşim ve sıcaklığın hassas olarak kontrol edilmesi istendiğinde ise alevli döner ocak veya elektrikli ark fırını vb. kullanılır. Ham demire, dökme demir ve çelik hurdası ile ferro-silisyum ve ferro-manganez katılarak, özellikle C, Si ve Mn miktarları ayarlanır.

DÖKME DEMİRLER (Devam) Gri dökme demirlerin talaşlı işlenebilirliği ve titreşim söndürme kabiliyetleri çok iyidir. Dökme demirin mekanik özellikleri büyük ölçüde mikro yapısına bağlıdır. Titreşim söndürme kabiliyeti a) çelik b) gri dökme demir

DÖKME DEMİRLER (Devam) Mevcut karbonun tümü, demire bağlı yani sementit (Fe 3 C) halinde bulunuyorsa beyaz dökme demir, karbon, kısmen de olsa grafit şeklinde serbest duruma geçmişse, grafitli dökme demir (veya gri dökme demir, kır dökme demir) sözkonusudur. Grafitler, lamel (yaprak) şeklinde ise lamel grafitli dökme demir, küresel biçimli ise küresel grafitli (nodüler) dökme demir adını alır. Ayrıca, temper dökme demirlerde de yıldız veya rozet türü grafitler bulunur.

DÖKME DEMİRLER (Devam) Dökme demirlerde grafit oluşumu, bileşim ve soğuma hızına bağlıdır. %1’den fazla Si ve daha yavaş soğuma grafit oluşumunu hızlandırır. Çoğu dökme demirde karbon grafit olarak bulunur ve mikroyapı ile mekanik özellikler, bileşim ve ısıl işleme bağlı olarak gelişir. Dökme demir türleri: 1. Gri (kır) Dökme Demirler 2. Küresel (nodüler, sfero) Dökme Demirler 3. Beyaz Dökme Demirler 4. Temper Dökme Demirler

Gri (kır) dökme demir Küresel Grafitli ( sünek ) Dökme demir Beyaz dökme demirTemper dökme demir Beyaz sementit Perlit α-Ferritik ana yapıda temper (rozet) grafitler  - Ferritik ana yapıda küresel grafitler  - Ferritik ana yapıda lamel grafitler Basmada İyi mukavemet ve süneklik Si (%1’den az) Si (%1-3)

Karbonun Şeklini (biçimini) Kontrol Etmek İçin Isıl İşlem Karbonun Şeklini (biçimini) Kontrol Etmek İçin Isıl İşlem Ticari Dökme Demirlerin Üretimi

GRİ DÖKME DEMİRLER % C ile %1-3 Si içerirler.Grafitler lamel veya yaprak şeklindedir ve bunlar ferritik veya perlitik ana yapıyla sarılmış (çevrelenmiş) yapıdadır. Kırık yapıda grafitler gri renkte görüldüklerinden bunlara gri dökme demir denir. Grafitlerin gerilme artırıcı özellikleri nedeniyle gri dökme demirlerin çekme dayanımları düşüktür ve gevrektirler. Basmada dayanımları ve süneklikleri ise iyidir. Titreşim söndürme kabiliyeti iyidir. Aşınmaya dirençlidirler, döküm kabiliyeti çok iyidir.

KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER Dökümden önce gri dökme demire az miktarda ~% 0.5 Mg (mağnezyum) veya Ce (seryum) katılırsa, küresel veya nodül (sfero) şekilli grafitler oluşur. Bunlar, ısıl işleme bağlı olarak ferritik veya perlitik ana yapıda bulunur. Küresel grafitli dökme demirlerin mukavemetleri ve süneklikleri, gri dökme demirlerle kıyaslandığında oldukça yüksektir. Valfler, pompa gövdeleri, krank milleri dişliler ve diğer otomobil ve makine parçalarının üretiminde kullanılırlar.

BEYAZ DÖKME DEMİRLER Düşük Si (%1’den az) miktarı ve hızlı soğuma şartlarında karbonun önemli bir kısmı grafit yerine, sementit olarak bulunur. Bu dökme demirin kırık yüzeyi beyaz göründüğünden, beyaz dökme demir denir. Beyaz dökme demir,yapısında bulunan fazla miktardaki sementit nedeniyle çok sert ve kırılgandırlar. Taşlama dışında işlenemezler. Temper dökme demirlerin üretiminde kullanılırlar.

TEMPER DÖKME DEMİRLER Beyaz dökme demirden dolaylı olarak elde edilirler. Yıldız şekilli grafitler nedeniyle, gri dökme demire göre daha mukavemetli ve sünektirler. Siyah Temper Dökme Demirler: Beyaz dökme demir parçalar nötr bir ortamda (ör. kuvars kumu) o C’ a ısıtılması ve bu sıcaklıkta uzun süre (~20 saat) beklettikten sonra yavaş soğumayla elde edilirler. İşlem esnasında sementit ayrışarak, rozet şekilli temper grafitler oluşur. Soğuma hızına bağlı olarak ana yapı ferritik veya perlitik olabilir.

BEYAZ TEMPER DÖKME DEMİRLER Beyaz dökme demir parçalar, oksitleyici bir ortamda (ör. Tufal-Fe 2 O 3 ) ~ 1000 o C sıcaklıkta yaklaşık 80 saat süreyle tavlanır. Bu durumda yüzeydeki C, O 2 ile birleşerek karbon yanması olur. Yüzeyde, karbon tamamen yanarak yapı ferrite dönüşür. İç kısma doğru gittikçe, azalan ferrite karşılık, gittikçe artan oranlarda perlit ve temper grafiti meydana gelir. Bu tür parçalar, gerektiğinde kolayca kaynak edilir.