Ocak sıcaklığı

Ocak sıcaklığının yüksek olmaması, sadece refrakter ömrünü uzun tutmak açısından önemli değil: Aynı zamanda sıvı metalin “canlı” kalması açısından da büyük önem taşıyor. Eğer ocaktaki metali gereğinden fazla ısıtır ya da yüksek sıcaklıkta uzun süre bekletirsek, sıvıda bulunan ve grafit çekirdeklenmesini kolaylaştıran mikroskobik boyuttaki grafit parçacıkları çözünebiliyorlar. Bunun gerçekleşmesi durumunda, aşılamadan da istediğimiz verimi alamıyoruz. Sonuç: Yapıda bulunmasını istemediğimiz karbürler (çil) ve grafit ayrışması sağlanamadığı için, karbürlerden kaynaklanan çekinti problemi.

Bu tür durumlarda ön koşullandırıcı kullanarak sıvı metali canlı tutabileceğimizi parantez içinde belirtip, döküm sıcaklığına geçelim.

Döküm sıcaklığı

Sıvı alaşım kalıba döküldükten sonra gerçekleşen hacim daralmasını 3 ayrı aşamada ele alabiliyoruz. Yandaki grafik üzerinde de görebileceğiniz gibi ilk olarak sıvıda bir daralma gerçekleşiyor. Ardından katılaşma aşamasında, ve son olarak da katılaşan parçada bir daralma görüyoruz.

Parçada meydana gelen toplam hacim daralması, işte bu 3 aşamada meydana gelen daralmaların toplamıyla ifade ediliyor. Bu nedenle eğer katılaşma öncesindeki sıvıdaki hacimsel daralmayı minimize edebilirsek, doğal olarak toplam daralmayı ve dolayısıyla da parçanın besleme ihtiyacını azaltmış oluyoruz. Grafik üzerinde görebileceğiniz gibi bunu elde etmenin yolu da döküm sıcaklığını mümkün olduğunca düşük tutmak. Yani TL (likidüs sıcaklığı) değerine yaklaşmak.

Buraya kadar güzel. Ama tabii bir de “ne kadar düşük?” sorusunu sormamız lazım. Bu soruya bir cevap verebilmek için, parçanın ne kadar ince kesitlere sahip olduğuna dikkat etmemiz gerekiyor. Parçanın kesitleri inceldikçe katılaşma süresi azalacağı için, ince kesitli parçalarda sağlıklı bir dolum elde edebilmek için döküm sıcaklığını arttırmamız gerekiyor.

Bu noktada kesit kalınlığından ziyade kesit modülünün bizim için önemli olduğunu bir önceki yazıda açıklamıştık. Fakat işi basit tutmak ve sadece tavsiye niteliğinde değerler sunmak için bu yazıda döküm sıcaklığını, parçadaki en ince kesitin kalınlığı üzerinden ele alacağız. Parçada bulunan en ince kesitin kalınlığına bağlı olarak tavsiye edilen döküm sıcaklıklarını aşağıdaki grafik üzerinde görebilirsiniz.

Bir döküm hattı üzerinde döküm yapılırken, kaçınılmaz olarak potadaki sıvı metalin soğuduğunu görüyoruz. O nedenle peş peşe yapılan dökümlerde daha yüksek bir döküm sıcaklığıyla başlamak ve son kalıba gelinceye kadar tavsiye edilen minimum döküm sıcaklığının altına düşmeyecek şekilde bir ayarlama yapmak, yerinde bir tavsiye olabilir.

Fakat bu ayarlamayı yaparken, garanti olsun düşüncesiyle döküm sıcaklığını gereğinden fazla arttırmamakta da fayda var. Yukarıda da bahsettiğimiz gibi döküm sıcaklığının yüksek olması, sıvıdaki daralmanın fazla olmasını sağlayacağı için çekintiyi arttırıyor. Aynı zamanda teknik literatüre baktığımız zaman, döküm sıcaklığını arttırdığımızda mikroyapıda gördüğümüz kürelerin büyüdüğünü ve sayılarının da azaldığını gözlemliyoruz [2]. Bu istemediğimiz bir durum, çünkü küre sayısının düşük olması da çekinti eğilimini arttıran etkenlerden bir tanesi. O nedenle döküm sıcaklığının sadece bir alt limiti değil, bir de üst limiti olması gerektiğini aklımızda tutmamızda fayda var.

Dökme demir ve çelikte karbon tayini için sektörde üç farklı yöntemin kullanıldığını görüyoruz: Kuru yakma yöntemi, spektrometre analizi ve termal analiz. Termal analiz konusu ayrı bir başlık altında ele alınacağı için, bu yazıda kuru yakma yöntemi üzerine bir girişin ardından, spektrometre ile karbon ölçümü yaparken dikkat etmemiz gereken noktalar üzerinde duracağız. İlk olarak kuru yakma yöntemiyle başlayalım.

Kuru yakma yöntemi

Adı üzerinde, bu yöntemde karbon analizi için numuneyi yakmamız gerekiyor. Yanmanın kolay olması ve nispeten kısa sürmesi için, yarım gram kadar küçük bir numune parçasını 1150°C’ye ısıtıp saf oksijen atmosferi içinde yakıyoruz. Bu yanma sonucunda, numune içinde bulunan karbon oksitlerek karbondioksit (CO2) gazına dönüşüyor. Ardından bu gazı bir sulu çözelti ya da katı bir soğurucu içinde topladıktan sonra ağırlık (gravimetry) ya da hacim (volumetry) ölçümüyle miktar tespiti yapabiliyoruz. Son yıllarda karbondioksit gazının optik yöntemlerle de ölçümünü yapabilen bu cihazlar, karbon yanında kükürt miktarını da yüksek bir doğrulukla tespit edebiliyorlar.

Spektrometre analizi

Döküm sanayiinde kullanılan bir diğer yaygın yöntem ise spektrometre analizi, ya da daha doğru tanımıyla optik emisyon spektrometresi (OES). Bu yöntem, karbon ölçümü konusunda yukarıda bahsettiğimiz kuru yakma yöntemi kadar yüksek doğrulukta sonuçlar vermekte zaman zaman zorlansa da, sağladığı farklı avantajlar nedeniyle dökümcüler tarafından tercih ediliyor. Her şeyden önce spektrometre analizinde ufak numuneler çıkarmak için uğraşmanıza gerek kalmıyor: Sıvıdan direkt aldığınız bir numuneyi, yüzeyini zımparayla biraz temizledikten sonra analiz için kullanabiliyorsunuz. Spektrometrenin sağladığı bir diğer önemli avantaj ise, ölçebildiği elementlerin sadece karbon ve kükürt ile sınırlı olmaması: Dökümcüler için büyük önem taşıyan silisyum, mangan, nikel, krom gibi daha birçok elementin miktarı bu yöntemle tayin edilebiliyor.

Spektrometre ile karbon tayini, özellike numunenin içerdiği karbon miktarı yüksek olduğu zaman biraz problemli olabiliyor. Fakat doğru numune alma pratiğiyle, spektrometreden de doğru karbon ölçümleri alabilmeniz mümkün. Nasıl yapmamız gerektiğini anlamak için, ilk olarak spektrometre ile karbonu nasıl ölçüyoruz, ona bakalım.

Spektrometre ile karbon ölçümü

Optik emisyon spektrometrelerinde alev (glow) ya da kıvılcımlı (spark) boşalma yapabilen kaynaklar kullanılabiliyor. Döküm sektöründe hem daha hızlı bir ölçüm imkanı sunması, hem de eser miktarda bulunan elementleri de tayin edebilmesi nedeniyle kıvılcım emisyonunun tercih edildiğini görüyoruz.

Doğru karbon ölçümü için, spektrometre numunesi alırken dikkat edilmesi gereken bazı noktalar var. Alınan numunenin mutlaka ocaktaki sıvıyı mümkün olduğunca temsil edebilmesi gerekiyor. O nedenle kepçe ile numune almadan önce, özellikle orta frekanslı indüksiyon ocaklarında, sıvı yüzeyinin biraz karıştırılması ve yüzeyde biriken elementlerin dağıtılması gerekiyor. Eğer mümkünse, ocaktan direkt numune almaya olanak sağlayan daldırma tipi numune alıcıların kullanılması, genel durumu temsil eden bir numune alınması için fayda sağlayabiliyor. Kepçe ile numune alırken sıvı yüzeyindeki cürufun mutlaka iyice temizlenmesi ve numune içine cüruf kaçmamasına özen gösterilmesi de büyük önem taşıyor.

Karbonun dökme demir yapısında ne şekilde bulunduğuna bakılarak yapılan sınıflandırma:

• Beyaz dökme demir: Tıpkı çaya attığımız şeker gibi, karbon da sıvı demir içinde tamamen çözünüyor. Eğer dökme demir katılaşırken sıvı içinde çözünen bu karbon sıvı demirin içinden ayrışamaz da, tamamen yapıda çözünmüş olarak kalırsa, ortaya çıkan yapıya beyaz dökme demir adını veriyoruz. Oldukça kırılgan bir yapıya sahip olan beyaz dökme demirler, kırıldıkları zaman parlak, beyaz bir renk sergiledikleri için beyaz dökme demir adıyla anılıyorlar.
• Gri dökme demir: Sıvı dökme demir katılaşırken, çayın içindeki şeker gibi sıvı metalde çözünmüş durumda bulunan karbon, katılaşma sırasında ayrı bir faz olarak ortaya çıkabiliyor. Bu tür bir yapıyı mikroskop altında incelediğimizde, karbonun grafit formunda, gözle görülebilen ayrı bir yapı olarak ayrışmış olduğunu görüyoruz. Karbonun lamel, yani katmanlar halinde ortaya çıktığı bu yapı kırıldığı zaman ortaya mat ve gri bir renk çıktığı için, bu tür dökme demirleri gri dökme demir olarak adlandırıyoruz.
• Benekli dökme demir: Yukarıda bahsettiğimiz beyaz dökme demirler hızlı soğuma koşullarında, gri dökme demirler ise nispeten daha yavaş soğuma koşullarında ortaya çıkıyor. Eğer dökülen parçanın soğuma hızı beyazdan griye geçişin gerçekleştiği bir aralığa denk gelirse, gri ve beyaz yapıların birlikte ortaya çıktığını görmemiz mümkün olabiliyor. Böyle bir parçayı kırdığımız zaman beyaz arka plan üzerinde gri adacıklar ortaya çıktığı için, bu dökme demirleri benekli (İngilizce: mottled) olarak adlandırıyoruz.
• Temper dökme demir: Bu dökme demir türü, aslında beyaz dökme demir olarak katılaştırılyor. Yani karbon tamamıyla yapıda çözünmüş halde kalacak şekilde dökme demirin katılaşması sağlanıyor. Ardından, katılaşmış beyaz dökme demir ısıl işleme tabi tutularak, yapıda çözünmüş halde bulunan karbonun yapından ayrışması sağlanıyor. Bu ısıl işlem sonrasında, karbonun bozuk şekle sahip küreler halinde, kümelenmiş olarak ortaya çıktığını görüyoruz.