Dökme demir metalurjisinde karbon içeriği en etkili değişkendir. Dökme demir ağırlıkça %2,0 ila %4,5 arasında bir karbon içeriği ile tanımlanır — %0,02–2,0 çelik aralığının çok üstünde. Bu aralıkta, karbondaki %0,3'lük bir değişim bile dökümün mikro yapısını, mekanik mukavemetini, sertliğini, işlenebilirliğini ve termal davranışını temelden değiştirebilir. Karbonun demirle ve diğer alaşım elementleriyle nasıl etkileşime girdiğini anlamak, hizmette güvenilir perfveyamans gösteren dökümler üretmenin temelidir.
Süneklik ve dayanıklılığı en üst düzeye çıkarmak için karbonun düşük tutulduğu çeliğin aksine, dökme demir, üstün dökülebilirlik, titreşim sönümleme ve aşınma direnci elde etmek için bilinçli olarak yüksek karbon seviyelerini korur. Temel ayrım, karbonun katılaşmış metal matris içinde aldığı formda yatmaktadır.
Dökme demirdeki karbon iki temel formdan birinde bulunur: serbest grafit (katılaşma sırasında çöken elementel karbon) veya demir karbür (Fe₃C, sementit olarak da bilinir) . Hangi formun baskın olacağı, karbon içeriği, soğuma hızı ve diğer elementlerin (özellikle silikon) varlığına göre belirlenir. Bu ayrım kozmetik değildir; demirin gri mi, beyaz mı, dövülebilir mi yoksa sünek mi olduğunu tanımlar; her biri son derece farklı mekanik özelliklere sahiptir.
Farklı dökme demir dereceleri rastgele kategoriler değildir; bunlar, özel işleme koşullarıyla birlikte kasıtlı olarak kontrol edilen karbon aralıklarının sonucudur.
| Dökme Demir Tipi | Karbon İçeriği (%) | Karbon Formu | Temel Özellikler |
|---|---|---|---|
| Gri Demir | %2,5 – 4,0 | Pul grafit | İyi işlenebilirlik, yüksek sönümleme, düşük çekme mukavemeti |
| Beyaz Demir | %1,8 – 3,6 | Sementit (Fe₃C) | Son derece sert, kırılgan, mükemmel aşınma direnci |
| Dövülebilir Demir | %2,0 – 2,9 | Temper karbon (rozetler) | Tavlamadan sonra iyi süneklik, darbeye dayanıklı |
| Sfero (Sfero) Demir | %3,2 – 4,2 | Küresel grafit | Yüksek çekme mukavemeti, süneklik, yorulma direnci |
| Sıkıştırılmış Grafitli Demir | %3,1 – 4,0 | Vermiküler (solucan benzeri) grafit | Gri ve sünek demir arasındaki ara madde |
Karbon tek başına hareket etmez. Silikon ve fosfor da eriyiğin etkili "karbon benzeri" davranışına katkıda bulunur. Dökümhane mühendisleri şunları kullanır: Karbon Eşdeğerliği (CE) formülü Bu etkileşimleri hesaba katmak için:
CE = %C (%Si %P) / 3
Saf demir 1.538°C'de katılaşır. Demir-karbon sisteminin ötektik noktası CE = %4,3 , en düşük erime noktasına (~1,150°C) ve en iyi akışkanlığa sahip bileşimdir. Ticari gri demirlerin çoğu CE'yi hedefler %3,9–4,3 Dökülebilirliği mekanik performansla dengelemek için.
Karbon içeriği ile mekanik özellikler arasındaki ilişki doğrusal değildir; büyük ölçüde karbonun matris içinde nasıl dağıldığına bağlıdır. Ancak net yön eğilimleri mevcuttur.
Gri demirde genel olarak artan toplam karbon çekme mukavemetini azaltır çünkü daha fazla ve daha kaba grafit pulları stres yoğunlaştırıcı görevi görür. Gri demir tipik olarak aşağıdaki çekme mukavemetlerine ulaşır: 150–400 MPa , karşılaştırıldığında 400–900 MPa aynı karbonun pullar yerine küreler halinde mevcut olduğu sünek demir için. Grafit morfolojisi toplam karbon yüzdesinden daha önemlidir.
Sementit (beyaz demir) formundaki daha yüksek karbon, sertliği önemli ölçüde artırır; beyaz demir genellikle 400–700 HBW , karşılaştırıldığında 150–300 HBW gri demir için. Ancak bu, sıfıra yakın süneklik pahasına gelir. Soğutulmuş dökümlerde, aşınma yüzeylerinde kasıtlı olarak sert beyaz bir demir yüzey tabakası oluşturulurken, kütle gri kalır.
Gri demir var aslında sıfır süneklik (uzama <%0,5), iç çentik görevi gören grafit pullarından kaynaklanmaktadır. Aynı veya daha yüksek karbonlu ancak sfero formdaki sünek demir, uzama değerlerine ulaşır: %2–18 dereceye bağlı olarak — karbonu azaltarak değil, yalnızca magnezyum işlemi yoluyla grafit morfolojisini değiştirerek sağlanan çarpıcı bir gelişme.
Serbest grafit, işleme sırasında yerleşik bir yağlayıcı görevi görür; bu nedenle Gri demir işlenmesi en kolay metallerden biridir . Daha yüksek grafit içeriği (gri demirde daha yüksek karbon) genellikle işlenebilirliği artırır. Beyaz demir ise sementit içeriği nedeniyle işlenmesi son derece zordur ve genellikle yalnızca döküm veya öğütülmüş halde kullanılır.
Mekanik özelliklerin ötesinde, karbon içeriği, yaygın döküm kusurlarının oluşumunu doğrudan etkiler; bazıları çok fazla karbondan, bazıları ise çok az karbondan kaynaklanır.
Hem karbon hem de silikon teşvik ediyor katılaşma sırasında grafit genleşmesi . Grafit çökerken hacimsel olarak genişler ve sıvı metal soğurken meydana gelen büzülmeyi kısmen dengeler. Gri demirdeki daha yüksek karbon içeriği (%4,3'e yakın CE), elde edilen değerleri elde etmek için yeterli grafit genleşmesi üretir. sıfıra yakın net çekme büyük yükselticilere olan ihtiyacı azaltır. Düşük karbonlu gri demir (CE ~%3,6) net büzülme sergileyebilir %0,5–1,5 dikkatli yükseltici tasarımı gerektirir.
Ötektik üstü demirlerde (CE > %4,3), birincil grafit ötektik reaksiyondan önce çökelir ve dökümün veya kalıbın üst yüzeyine yüzebilir. Bu "kiş" grafit yüzey boşlukları, kalıntılar ve kozmetik kusurlar oluşturur. Karbonun ötektik ötesi eşiğin altında kontrol edilmesi kish oluşumunu engeller.
Karbon içeriği ve soğuma hızı uyumsuz olduğunda (özellikle CE sınırında olan ince kesitlerde), gri demir bölgelerinin yanında kısmi beyaz demir oluşumu meydana gelir. Bu "benekli" mikro yapı öngörülemeyen ve tek tip olmayan sertlik üreterek işlemeyi tutarsız ve mekanik performansı güvenilmez hale getirir. Kasıtlı soğutulmuş döküm tasarımlarının tamamında bu bir kusur olarak kabul edilir.
Karbon asla tek başına hareket etmez. Silikon, dökme demirdeki en güçlü grafitleştirici elementtir ve nihai mikro yapıyı belirlemek için karbonla doğrudan ortaklaşa çalışır. Ticari dökme demirdeki silikon içeriği tipik olarak %1,0 ila %3,0 .
Bu nedenle karbonun tek başına belirtilmesi yetersizdir; dökümhane mühendisleri her zaman hem karbonu hem de silikonu birlikte belirtirler ve tipik olarak CE'yi kompozit kontrol parametresi olarak izlerler.
Üretimdeki karbon içeriğini kontrol etmek hem kimya hem de süreç disiplinidir. Aşağıdaki yöntemler modern dökümhanelerde standart uygulamadır:
Karbon içeriği, dökme demir metalurjisinin ana değişkenidir; ancak etkisi her zaman soğutma hızı, silikon içeriği ve işleme koşullarıyla etkileşimi yoluyla ifade edilir. Toplam karbon, ne kadar grafit veya karbürün oluşabileceğini belirler; hangisinin bunu yapacağını işleme ortamı belirler. Hedef ister gri demirin sönümleme kapasitesi, ister beyaz demirin aşınma direnci, ister sünek demirin tokluğu olsun, tutarlı döküm kalitesine ulaşmak, gerçek zamanlı eriyik analiziyle desteklenen hassas karbon kontrolüyle başlar. Dökümhane mühendisleri ve döküm alıcıları için karbonun belirtilmesi ve doğrulanması (her zaman silikon ve CE ile birlikte) isteğe bağlı değildir; her kaliteli oyuncu seçiminin başlangıç noktasıdır.
