Dökme Demir Nedir

Uygulamada en önemli ham maddesi pik demir olan dökme demirin karbon derişikliği %2'nin üzerindedir ve ek işlemler uygulanmadan dövme yoluyla biçimlendirilemez. Erime sıcaklığı dökme çeliğinkinden düşük olup, çoğu türünde ötektik bileşimine yakınlıktan ötürü 1250°C'yi aşmaz. Eriyiğin akıcılığı ve çok iyi kalıp doldurma özelliği yanında, kendini çekmesi dökme çeliğe göre küçüktür (% 1-2). Katı halde yoğunluğu 7,2-7,4 gr/cm³ sınır değerleri arasında değişir. 

Dökme demirin katılaşmasında sementit veya grafit oluşumu, diğer bir deyişle içyapı durumu, soğuma hızından başka büyük ölçüde karbon ve silisyum miktarı ile belirlenir. Her iki element de grafit ayrışmasını kolaylaştırır. 
 

Genellikle % 3 dolayında karbon, az miktarda silisyum (% 0,5...1,5) ve karbür oluşumunu kolaylaştırmak üzere % 1,2' ye kadar mangan içerir. Beyaz dökme demir (DDB) olarak katılaşan içyapı, yüksek oranda sementit ile perlitten (Cr,Ni,Mo katılmış alaşımlı türlerinde perlit yerine çoğunlukla martenzitten) meydana geldiği için çok sert ve aşınmaya dayanıklıdır. Sert döküm bu özellikleriyle kum püskürtme memeleri vb. parçalarda iyi sonuç verir. Ancak söz konusu malzemenin işlenmesi çok güç, gevrek içyapısı darbelere karşı aşırı duyarlı, çekme dayanımı da martenzitik dökme çeliğe göre düşüktür. Dolayısıyla uygulamada tüm kesiti beyaz dökme demir olan (tam sert döküm) parçalar çok seyrek ve genellikle işlenmeden kullanılır, örneğin ağırlıklar, öğütme bilyeleri.

Buna karşın sert kabuklu dökümün teknikteki önemi daha fazladır. Burada kabuk diye adlandırılan kenar tabaka ancak hızlı soğutma sonucu beyaz olarak katılaşırken, yavaş soğuyan göbekte karbonun bir bölümü grafit şeklinde ayrışır. Isının yüzeyden hızla uzaklaştırılması için kokil döküntü yapılır veya kum kalıba soğutma plakaları yerleştirilir. Ayrıca iç ve dış kısımlar arasında özel yöntemlerle bileşim farkı da yaratılabilir. Bu tür yüzeyi sert ve aşınmaya dayanıklı dökme demir parçalar, tokluğun içe doğru bir ölçüde iyileştirilmesi nedeniyle, darbeli zorlamalar altında çalışmaya elverişlidir. Hadde merdaneleri çoğunlukla sert kabuklu döküm olarak üretilirler. Diğer kullanım yerlerinden başlıcaları vagon tekerlekleri, zımbalar, çekme kalıpları, önyüzlerinin aşınmaya dayanıklı arka yüzlerinin ise kolay işlenebilir olması gereken değirmen levhalarıdır.

Önerilen Makale: Paslanmaz çelik sac malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için paslanmaz çelik sac sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Ham (pik) demire döküm hurdası, çelik hurdası ve örneğin ferromangan gibi maddeler katılıp çoğunlukla kupol ocağında eritilerek elde edilir. Kendini çekmesi yaklaşık % 1 dir. Karbon (% 2,5...4,5) ve silisyum (% 0,8...3) miktarlarının toplamı yüksek tutulduğu için, sıvı durumdan hızlı soğutulmadıkça büyük ölçüde kararlı sisteme göre katılaşır. Böylece oluşan grafit bölgeleri dayanımı düşürür. Buna karşın söz konusu malzeme darbelere beyaz dökme demir kadar duyarlı değildir ve kolay işlenir.

Bileşim sabit kalmak koşuluyla, döküm parça kalınlığının azalması dayanımı iyileştirir. İnce parçalarda soğuma doğal şekilde çabuk gerçekleştiği için, perlit oranı artar ve az miktarda ayrışan grafit içyapıda çoğunlukla ince olarak dağılır. Soğuma yavaşladıkça yüksek sıcaklıkta kalma süresi uzar; karbon atomlarının yayınması ve dolayısıyla grafit ayrışması kolaylaşır. Grafitlerin miktar ve dağılımı yanında geometrisi de mekanik özellikleri etkiler. Belirli katkılar yapılmadığı sürece grafitler lamel (levha) biçiminde oluşur.

Daha önce değinildiği gibi, ait olduğu grubun genel adıyla, yani kır dökme demir "GG" (DDG) diye de anılan lamel grafitli dökme demir DIN 1691'de standartlaştırılmıştır. Çekme dayanımına göre 100 N/mm² ile 400 N/mm² arasında 50 N/mm²’ lik kademelerle yükselen kalite sınıflarına ayrılır. Bu sınıflar GG işaretine minimum çekme dayanımının kgf/mm² cinsinden sayısal değeri eklenerek gösterilir, örneğin GG-30. 

Mekanik özellikler et kalınlığına bağlı olduğundan, DIN 1691'de kalite sınıflarını belirleyen çekme dayanımları, 30mm çapında döküldükten sonra 20 mm çapa işlenmiş deney parçaları için geçerlidir. 

Kır dökme demirin katılaşması sırasında ayrışıp, "çeliğe benzer" ferritik veya perlitik ana kütle içine yerleşen grafit lamelleri metallografik kesitte damarlar biçiminde görülürler. 

Grafit lamelleri özellikle çekme zorlamalarına karşı dayanıksız, dolayısıyla yük taşıyıcı kesiti zayıflatan ve ayrıca uçlarında gerilme yığılmalarına yol açan iç çentikler olarak düşünülmelidir. Bu nedenle çekme dayanımı çok düşük de kalan kır dökme demir, hafif konstrüksiyonlar için uygun bir malzeme değildir. Heterojen ve çentikli içyapısından ötürü şekil değiştirme kabiliyeti de yok denecek kadar az olup, kopma uzaması %1'in altındadır. Ancak grafit lamelleri büyük basma gerilmelerini taşıyabildikleri için, kır dökme demirin basma dayanımı çekme dayanımının 3...4,5 katına ulaşır. 

Kır dökme demirin çekme ve basma davranışlarının farklı oluşu elastik büyüklüklerde de görülür. Elastiklik modülü döküm malzemesinin dayanımı yanında, gerilmenin tür ve yüksekliğine bağlıdır: 

 Kır dökme demirin sınıfı yani çekme dayanımı ile birlikte elastiklik modülü de yükselir. 

 Gerilme-birim şekil değişimi diyagramında doğrusal elastiklik yoktur. Gerilim arttıkça elastiklik modülü giderek düşer. Bu durum grafit lamellerinin uçlarındaki gerilme yığılmalarının yerel akmalara yol açmasından ileri gelir. Çekme eğrisinin başlangıç bölgesindeki eğimi olarak, E değeri kır dökümün kalitesine göre 70000 N/mm² ile 140000 N/mm² arasında değişir. 

 Elastiklik modülünün gerilmeye bağımlılığı çekme zorlamasında basmadakinden daha belirgindir. 

Grafit lamellerinin dayanım ve şekil değiştirme özelliklerine olumsuz etkilerine karşı, söz konusu heterojen içyapının aşağıda açıklanan yararlı yönleri de bulunduğundan, kır dökme demir makina malzemesi olarak önem kazanmıştır.

İçyapısındaki grafit lamelleri doğal olarak çentik etkisi yarattığı için, böyle bir dökme demir yorulma açısından konstrüktif çentiklere duyarsızdır. Diğer bir deyişle, yorulma çentik katsayısı aynı şekilli dökme çelik parçadakinden küçük olup, düşük DDL kalitelerinde 1 değerine yaklaşır. 

Öte yandan kır dökümün olağanüstü sönümleme özelliği vardır. Çelik dökümle karşılaştırıldığında titreşimler yaklaşık dörtte bir sürede sönümlenir. Böylece işletme yüküne ek olarak titreşimden ileri gelebilecek yorulma olasılığı azalır. Sönümleme özelliği yanında ucuzluğu da göz önünde tutularak, örneğin temel plakaları, makina yatakları, dişli kutuları ve silindir blokları çoğunlukla kır dökümden üretilirler. 

Kır dökme demir kaymalı yataklar için de uygun bir malzemedir. Grafit parçacıkları her tür sürtünme zorlamasında yağ-lama etkisi yapar. Böylece yatak yağsız kalma durumunda bir süre sarmadan çalışabilir. 

Grafit lamellerinin sürtünmeyi azaltıcı ve aynı zamanda kısa kırılgan talaş oluşturucu etkisinden ötürü kır dökme demirin talaşlı işlenme kabiliyeti genellikle çok iyidir. Yalnız perlit oranının artması (sertlik artışı) ile talaş kaldırma bir ölçüde zorlaşır. 

Kır dökme demirin kaynağı, sementit ile martenzit (öncelikle perlitik türlerde) oluşumuna karşı, tavlama ve özel ilave malzeme kullanma gibi önlemleri gerektirir. Daha çok onarım amacıyla uygulanır. Lehimlenmesi de güçtür. 

Eşlik ve alaşım elementlerinin özelliklere etkisi çoğunlukla çelikte olduğu gibidir. Bununla birlikte kükürt ve fosfor çelik veya dökme çelikteki kadar olumsuz sonuç yaratmaz. İyi kaliteli kır dökümlerde yüksek oranda bulunan mangan, kükürtü bağlar. Meydana gelen mangan sülfür kalıntıları, kır dökme demirin içyapısının zaten heterojen olması nedeniyle, mekanik özellikleri ayrıca kötüleştirmez. 

Fe₃C + P ⇒ Fe₃P + C

reaksiyonu ile fosfor, grafitleşmeyi kolaylaştırır. Demir fosfür (Fe3P), demir ve karbonla yaklaşık 950°C sıcaklıkta katılaşan bir üçlü ötektik (steadit) oluşturur. Fosforca zengin eriyik çok akıcı olduğundan, örneğin radyatör gibi ince etli parçaların dökümü için özellikle uygundur. Katılaşma sırasında ortaya çıkan fosfür fazı sert ve gevrektir. Dolayısıyla fosfor miktarı ile sertlik ve aşınmaya dayanıklılık artar; ancak malzemenin işlenmesi güçleşir. 

Öte yandan fosfor derişikliği %0,3...0,4 değerini aşarsa, fosfür ötektiği içyapıda sürekli ağ niteliği kazanarak çekme dayanımı ve çentik darbe tokluğunun düşmesine yol açar. Bu nedenle, mümkün olduğu kadar akıcı bir eriyiğin istendiği süsleme ve sanat dökümlerinde bile fosfor derişikliği %1,3'ün altında tutulur. Yüksek zorlamalarla karşılaşacak parçalarda ise bu oran %0,5'i aşmamalıdır. 

Silisyum miktarı fazla olan kır dökümün atmosferik korozyona dayanıklılığı iyidir. Ayrıca döküm parçadan zorunlu olmadıkça talaş kaldırılmaması da, yüzeyde oluşan silikat ve oksit tabakasının korozyonu azaltıcı etkisinden yararlanmayı sağlar. %18 Si içeren kır dökme demir asidik ortamlara, örneğin sıcak sülfürik ve nitrik aside dirençlidir; ancak çok sert olduğundan sadece taşlanarak işlenebilir.

Kır dökme demir yaklaşık 400°C'a kadar olan işletme sıcaklıklarında özel bir sorun yaratmaz. 

Dökme demirin özellikle uzun süre 400°C'ın üzerinde tutulması, içyapıda bulunabilecek sementit fazının ayrışmasına yol açar: 

Fe₃C  ⇒ 3 Fe + C 

Sıcaklık yükseldikçe hızlanan bu reaksiyon sırasında, serbest kalan karbon atomlarının grafit miktarını artırmasıyla döküm parçanın hacmi büyür. Bu durumda grafit lamellerinin yüzeyleri boyunca malzemeye girişi kolaylaşan ortam gazları, genellikle 550°C'ı aşan sıcaklıklarda ana kütledeki demir ve silisyumu oksitler. Dolayısıyla mekanik özellikler olumsuz yönde etkilendiği gibi, yeni bir hacim artışı da meydana gelir. Katı halde grafitleşme ile oksitlenme sonucu ortaya çıkan ve büyüme diye adlandırılan hacim değişikliği %8 düzeyine ulaşabilir. Kır dökme demirin bilyümesini, karbon ve daha çok silisyum kolaylaştırırken, karbür yapıcı mangan vb. elementler zıt yönde etkiler. Öte yandan grafitin ince dağıldığı bir içyapı, kaba lamelliye oranla büyüme olayına daha az duyarlıdır. 

Isıl zorlanan kır döküm parçaların büyümesi bazı kullanım yerlerinde, örneğin içten yanmalı motorların segman ve silindir kafalarında çok sakıncalıdır. Karbür yapıcı (krom) ve oksijeni bağlayıcı (alüminyum) alaşım elementleri katılarak 1000°C'a kadar ısıya dayanıklı kır döküm kaliteleri elde edilebilir. 

Yüksek sıcaklık dayanımı açısından üstünlük gösteren ostenitik dökme demirler alkali, seyreltilmiş asit, deniz suyu ve tuz çözeltilerinin korozif etkilerin de dayanıklıdırlar. DIN 1694'te yer alan söz konusu malzemelerde ana alaşım elementi (% 36'ya kadar) nikeldir; ayrıca her birinin derişikliği % 7,5 değerini aşmamak üzere silisyum, mangan, krom ve bakır bulunabilir. Karbon miktarı % 2,2 ile % 3 arasında olup ferritik ve perlitik kır döküme oranla düşüktür. Örnek olarak fırın parçaları, supaplar, silindir gömlekleri, gıda ve kimya endüstrisindeki pompalar, armatürler, proses kazanları gerektiğinde ostenitik dökme demirden yapılabilir. 

Yaklaşık % 35 Ni içeren ostenitik dökme demirin 20°C ile 200°C arasındaki ısı) genleşme katsayısı çok küçüktür. Sıcaklıkla boyut değişiminin minimum düzeyde kalması istenen özel takım tezgahları, laboratuvar cihazları ile cam presleme kalıpları için bu nedenle uygun bir malzemedir. 

Lameli grafitli dökme demir genellikle çekme dayanımını değil, aşınmaya karşı direncini yükseltmek amacıyla bazen sertleştirilebilir. Karbonun ostenitte çözünmesini kolaylaştırmak üzere öncelikle perlitik türler seçilip, yaklaşık 850°C sıcaklıkta ostenitlemeyi yeterli hızla soğutma izlerse, çeliğe benzer ana kütle tümüyle martenzite dönüşür. Ancak yumuşak grafit lamellerinden ötürü malzemenin ortalama sertliği su verilmiş ötektoid çeliğinkine ulaşamaz. Ayrıca ısıtma ve su verme sırasında oluşan ısıl gerilmeler altında, grafit lamellerinin kuvvetli çentik etkisinden dolayı çatlama tehlikesi fazladır. Bu açıdan os-veya martemperleme avantajlı olabilir. Ancak normal makina dökümünde dayanım artışı en ekonomik olarak, içyapıda perlit oranının yükseltilmesi yanında, grafit lamellerinin ince ve homojen dağılımıyla sağlanır. Aynı amaçla gerçekleştirilmiş en önemli gelişme ise, grafitlerin küresel biçime kavuşturulmasıdır.
 

Sfero döküm olarak da adlandırılıp, GGG işaretine minimum çekme dayanımının kgf/mm² cinsinden sayısal değeri eklenerek sınıflandırılır, örneğin GGG-70 gibi (DIN 1693). 

Küresel grafitli dökme demir, özel pik ve hurdanın çoğu kez kupol ocağında eritilmesinden sonra elektrik ocağında gerekli katkıların yapılmasıyla elde edilir. Bileşiminde %3,2... 3,8 C,  %2,4...2,8 Si, %0;5'ten az Mn bulunur. Ham maddelerden gelen katışkılar belirli sınırları kesinlikle aşmamalıdır. Grafitin küreselleşmesi (yumrulaşması) için eriyiğe yaklaşık %0,5 Ce veya %0,5 Mg ile çekirdeklenmesini kolaylaştırmak üzere ferrosilisyum katılır. Mg yöntemi daha ucuz fakat Pb, Bi, Sb, Sn, Ti gibi olayı önleyici elementlere daha duyarlıdır; ayrıca işlemin verimliliği kükürdün azlığına bağlıdır. 

Kitre, eşit hacimli diğer geometrik biçimlerle karşılaştırıldığında, en küçük yüzey/hacim oranına sahiptir. Dolayısıyla sfero dökümde ana kütlenin taşıyıcı kesiti, grafit oranı aynı olan kır dökme demirdekinden daha büyüktür. Grafitin küresel oluşunun, dış zorlama sonucu döküm parçadaki gerilme dağılımına da olumlu etkisi vardır. Söz konusu durumu yansıtan sfero dökümde grafitlerin iç çentik etkisi kır döküme göre çok daha azdır. Bu nedenlerden ötürü başta çekme özellikleri olmak üzere mekanik davranış büyük ölçüde iyileşir. Örneğin ısıl işlem görmemiş küresel grafitli dökme demirin çekme dayanımı perlitik olanlarda 700 N/mm², kopma uzaması da ferrit ağırlıklı türler için %10 dolayındadır. Gerilme-birim şekil değiştirme diyagramında Hooke kanununun geçerli olduğu doğrusal bir bölge bulunur. Dayanım değerine bağlı olarak elastiklik modülü 180000 N/mm²'ye ulaşabilir. Buna karşın sönümleme özelliği lamel grafitlinin yarısı kadardır. 

Küresel grafitli dökme demir sıcak ve az da olsa soğuk şekillendirilebilir. Yorulma zorlamaları yanında darbelere de dayanıklıdır. İyi döküm kabiliyeti ile birlikte yüksek dayanım ve yeterli tokluğu gerektiren parçalarda çoğu zaman temper ve hatta çelik dökümün yerini alır. 

Sfero dökme demirin talaşlı işlenme özelliği iyi olup, eş sertlikteki kır dökme demirle yaklaşık aynıdır. Kaynak ve lehimleme ile ilgili davranışı da kır dökümünkine oldukça benzer. Aşınma, korozyon ve tufallanmaya ise genellikle daha fazla direnç gösterir. Küresel grafitlerin yüzey alanları görece küçük olduğundan, yüksek sıcaklıklarda oksitlenme sonucu büyüme çok azdır. 

Sfero dökümün mekanik özellikleri ısıl işlemle önemli ölçüde değiştirilebilir. Perlitik türlere uygulanabilecek ferritleme tavında, örneğin 700°C'ta yeterli süre bekletip 600°C'a yavaş soğutma ile, sementitten ayrışan karbon mevcut grafitlerin üzerine çökelir. Böylece yalnız ferrit ve küresel grafitten oluştuğu için daha sünek (kopma uzaması ,%20) ancak dayanımı azalmış olan bir içyapı elde edilir. 

Islah işlemi perlitik ana kütleyi temperlenmiş martenzite dönüştürerek, sfero dökme demirin çekme dayanımını 1000 N/mm² düzeyine yükseltir. Yüzey sert/eştirme (alev/indüksiyon) yapılabilir. 

Küresel grafitli ostenitik dökme demirlerin erozyon, ısıl şok, ısı ve korozyona karşı davranışları lamelli kalitelere benzer, mekanik özellikleri ise 'daha üstündür (DIN 1694). Küresel grafitli dökme demirden küçük ve büyük her türlü döküm parça imal edilebilir (krank milleri, pistonlar, supaplar, ocak kapakları, soğuk bükülebilir borular, kalıplar ve merdaneler).