Sferonun katılaşma mekanizması, küresel grafitli dökme demirin mikroyapısal oluşum sürecinde kritik rol oynayan bir olgudur. Katılaşma esnasında grafit küreciklerinin sıvı metal içinde şekillenmesi ve östenit fazı ile etkileşimi, döküm parçalarının mekanik özelliklerini doğrudan etkiler.
Soğuma hızı, kimyasal bileşim ve nükleasyon koşulları bu süreci yönlendiren başlıca faktörlerdir.
Sfero dökme demirin endüstriyel döküm uygulamalarındaki başarısı, bu mekanizmanın doğru anlaşılmasına ve kontrol edilmesine bağlıdır.
1. Giriş: Sfero Dökme Demir Nedir?
Küresel grafitli dökme demir (Sfero / Nodüler Dökme Demir), karbonun grafit fazı olarak küresel (nodüler) formda çöktüğü bir dökme demir türüdür. Bu küresel morfoloji, malzemenin mukavemet, tokluk ve yorulma direncini belirgin biçimde artırır.
🧪 Avantajları:
Yüksek tokluk
İyi işlenebilirlik
Basınç ve darbe dayanımı
2. Katılaşma Mekanizması
Sferonun katılaşma mekanizması incelenirken SFERO (Küresel Grafitli Dökme Demir) numuneleri hızlı soğutularak incelenirse, kısmen katılaşan dökme demirde ÖTEKTİK katılaşma sırasında önce grafit kürecikleri şekillenir ve sonra hızla çoğalırlar.
HİPOTEKTİK dökme demirlerde ÖTEKTİK katılaşmasının ilk kademesinde birincil DENTRİTLER arasında grafit kürecikler gözükür. Eğer çok kısa zamanda ÖSTENİT tabakası ile örtülmez ise grafit kürecikleri hızla çoğalır.
Bu GRAFİT-ÖSTENİT çoğalması katılaşma tamamlanana kadar devam eder ve ÖSTENİT örtüsüne kadar küreleşme artarak çoğalır.
PRİMER DENTRİTLER in yokluğunda grafit küreler sıvı içerisinde serbestçe yüzerler ve ÖTEKTİK dökme demir, parçaların üst kısımlarında rahatça görülür.
Sferonun katılaşma mekanizması hızlı incelenirse katılaşma esnasında grafit şekillenmesi genleşmeyi de beraberinde getirir. Katılaşma esnasındaki çekmeyi azaltma niteliği ortadan kalkar ve besleyici gerekli hale gelir.
Gri dökme demir GREY IRON ile mukayese de besleyici olmadan döküm yapabilmek için küresel grafitli SFERO dökme demirin karbonu yükseltilmelidir.
2.1. Ötektik Katılaşma Süreci
📊 Grafik 1: Sfero Dökme Demirin Katılaşma Aşamaları
Sıvı metal → Grafit çekirdeği oluşumu → Grafit + Östenit eşzamanlı çökelme → Östenit örtüsü → Katı yapının tamamlanması
🧬 Süreç Özeti:
Katılaşma sırasında karbon, grafit kürecikleri halinde çökelir.
Grafit etrafında östenit fazı büyür.
Östenit örtüsü grafiti sararsa büyüme yavaşlar; örtü gecikirse grafit hızlı çoğalır.
📷 Şekil 1: Grafit Kürecikleri ve Östenit Örtüsü (SEM Görüntüsü)
(Yüksek büyütmede grafit çekirdeklerinin etrafını saran östenit fazı net olarak gözlemlenir.)
2.2. Hipoteklik Alaşımlarda Katılaşma
🧪 Hipoteklik Alaşım: Karbon oranı %4,3’ten düşüktür.
Katılaşma birincil östenit dendritleri ile başlar.
Dendritler arasında grafit kürecikleri çöker.
Yetersiz östenit örtüsü → grafitin yayılmasına neden olur.
📷 Şekil 2: Primer Dendritler Arasında Grafit Çökmesi (Optik Mikroskop)
2.3. Primer Dendritlerin Yokluğunda Davranış
🔬 Hızlı soğuma → primer dendritler oluşamaz → grafit kürecikleri sıvı içinde yüzer.
📷 Şekil 3: Ötektik Katılaşma Alanı (Parçanın üst kesitinde daha belirgin)
3. Genleşme ve Besleme Dinamikleri
📊 Grafik 2: Katılaşma Sırasındaki Hacim Değişimi
Gri Dökme Demir: Çekme eğilimi → Besleyici gerek
Sfero: Genleşme → Besleyicisiz döküm imkânı
Genleşme, grafit fazının yapısal etkisidir.
Ancak çok hızlı soğuma → grafit genleşemez → çekme artar → besleyici zorunlu
4. Karbon Miktarının Etkisi
🧪 Yüksek Karbon İçeriği:
Fazla grafit → Daha çok genleşme → Besleyicisiz döküm mümkün
🧪 Düşük Karbon:
Sementit oluşumu → Sert ve gevrek yapı → Makinelenebilirlik azalır
📊 Grafik 3: Karbon Oranı vs. Mikro Yapı ve Mekanik Özellik
5. Mikroyapısal Bulgular ve Modern Analizler
📌 Elementsel Etkiler:
Mg, Ce → Sferoidizasyon sağlar.
Nükleasyon merkezleri: MgO, CeO₂, SiO₂
🔬 SEM Bulguları:
Küresel grafit + Östenit birlikte gözlemlenir.
Soğuma hızı arttıkça grafit kürecik çapı azalır.
📷 Şekil 4: SEM Görüntüsü ile Kürecik Dağılımı
6. Sonuç ve Endüstriyel Uygulama
📌 Katılaşma mekanizmasının iyi anlaşılması şu açılardan kritik öneme sahiptir:
🛠️ Besleyici tasarımı
🧱 Kalıp yerleşimi ve döküm geometrisi
🧪 Kalite kontrol ve mikroyapı mühendisliği
📉 Hata (porozite, çekinti) minimizasyonu
Sonuç olarak, sferonun katılaşma mekanizmasının detaylı incelenmesi, hem mikroyapısal hem de makro ölçekte döküm kalitesini optimize etmek için vazgeçilmezdir. Grafit küreciklerinin kontrollü oluşumu ve östenit örtüsü ile ilişkisi, çekme kusurlarının azaltılması ve besleyicisiz döküm olanaklarının geliştirilmesi açısından büyük önem taşır. Bu mekanizmanın bilimsel temellere dayalı yönetimi, sfero dökme demirlerin mukavemet, tokluk ve uzun ömürlülük gibi avantajlarını maksimize etmeyi mümkün kılar.
7. Kaynakça
Stefanescu, D.M. (2002). Science and Engineering of Casting Solidification
Elliott, R. (1983). Cast Iron Technology
Liu, B. et al. (2014). Microstructure evolution during solidification of nodular cast iron, J. of Materials Processing Technology
Campbell, J. (2003). Castings
