Demir-Karbon Alaşımları

Demir-karbon alaşımları; yüksek elastisite modülü, ayarlanabilir sertlik ve güçlü mekanik performansları sayesinde yapı ve makine imalat endüstrisinin temel taşıdır. Saf demir yumuşak ve düşük mukavemetli bir yapıya sahipken, alaşıma eklenen karbon oranı arttıkça malzemenin sertliği ve mukavemeti yükselir; buna karşılık süneklik ve tokluk değerleri düşer.

Demir – Karbon Alaşımlarının Sınıflandırılması

İçeriklerindeki karbon (C) yüzdesine göre alaşımlar üç ana grupta toplanır:

a) Demirler: Karbon oranı %0,1'den az olan (C< %0,1) alaşımlardır. 
b) Çelikler : Karbon oranına göre kendi içinde üçe ayrılır:

Düşük karbonlu çelikler  : %0,1<C<%0,2
Orta karbonlu çelikler  : %0,2<C<%0,5
Yüksek karbonlu çelikler : %0,5<C<%2

c) Dökme Demirler : Karbon oranı yüksek alaşımlardır. Üretim yöntemi ve iç yapı özelliklerine bağlı olarak temel olarak beyaz dökme demir ve kır dökme demir şeklinde ikiye ayrılırlar.

Demir – Karbon Alaşımlarının Üretim Süreci

Doğada çoğunlukla Fe2O3 ve Fe3O4 bileşikleri halinde bulunan demir filizleri yüksek fırında redüklenerek ham demire (pik demir veya font) dönüştürülür. Yüksek fırında bir tabaka kok kömürü, bir tabaka demir filizi ve ayrıca bir miktar kireçtaşı konur. Yüksek sıcaklıkta redüklenen demir bileşiklerinden elde edilen ham demirde %3-4 oranında karbon bulunur. Bu şekilde elde edilen ham ergimiş halde çelik fırınlarına konur ve içinden oksijen geçirilerek karbonun fazlası yakılarak istenen düzeye indirilir. Çelik fırınından alınan sıvı metal kokil denen kalıplara dökülerek ham (ingot) çelik elde edilir. Döküm sırasında erimiş kütle içinde kalan FeO karbon tarafından deokside edilir ve bu sırada oluşan CO gazı katılaşma tamamlanıncaya kadar kısmen kabarcıklar halinde yüzeye çıkmaya devam eder, kısmen de kütle içinde kalır. Kaynama şeklindeki görüntü nedeni ile elde edilen bu çeliğe kaynar dökülmüş veya sakinleşmemiş çelik denir. İçeride kalan gaz boşlukları çoğunlukla haddeleme sırasında kaynaklanarak kapanır. Bu çeliklerin kalitesi bağıl olarak düşüktür. Diğer taraftan döküm sırasında potaya katılan silisyum, alüminyum veya benzer katkılar doğrudan FeO’i deokside eder ve gaz kabarcıklarının oluşması önlenir, dolayısıyla kaynama görülmez. Bu yöntemle elde edilen çeliğe sakinleşmiş çelik denir. Bu işlem özenli yapılıp daha iyi bir sonuç elde edilirse tam sakinleşme sağlanmış olur. Sakinleşmiş çelikler mekanik özellikler ve kaynak kabiliyeti yönünden üstün nitelikli sayılırlar.

Çeliklerin bileşiminde üretim sırasında bir miktar fosfor ve kükürt bulunur. Bu elemanlar çeliği gevrekleştirir, kaynak kabiliyetini azaltır ve kaliteyi düşürür, bu nedenle bunların miktarını sınırlı tutmak gerekir.

Aşağıdaki şekilde verilen üretim çizelgesinde demir – karbon alaşımlarının üretim süresinde geçirdikleri aşamaları gösterilmiş ve kullanılan bazı terimler verilmiştir.

                 DEMİR FİLİZLERİ
                   Fe₂O₃ – Fe₃O₄
                              │
                             ▼
┌──────────────────────┐
│                 YÜKSEK FIRIN                   │
│                                                           │
│ Kok + Demir filizi  +Kireçtaşı       │
│                                                           │
│                                                           │
│ Redüksiyon                                     │
└──────────────────────┘
                               │
                              ▼
              HAM DEMİR (PİK DEMİR) 
                          %3–4 C
                               │
                              ▼
┌──────────────────────┐
│                    ÇELİK ÜRETİMİ               │
│                                                           │
│ Oksijen üflenmesi                         │
│ Karbonun azaltılması                  │
└──────────────────────┘
                             │
                            ▼
                       SIVI ÇELİK
                             │
                            ▼
┌──────────────────────┐
│                      DÖKÜM                       │
│                       (Kokil)                        │
└──────────────────────┘
                             │
       ├───────────────│ 
       ▼                                      ▼
  DEOKSİDASYON              FeO + C
       │                                         │
       │                                        ▼
       │                                       CO
       │                                         │
       │                             Gaz kabarcıkları
       │                                         │
      ▼                                        ▼
 SAKİNLEŞMİŞ ÇELİK       KAYNAR ÇELİK