Demir Nedir ?

Demir Nedir ?

16 Kasım 2018 Kapalı Yazar: admin

Demir Nedir ?

Demir nedir diye sorduğumuzda, aslında mühendisliğin ve uygarlık uygulamalarında en önemli metal olarak kabul edilen bir malzemeyi kastetmekteyiz. Demir Latincede Ferrum’dan gelen “ Fe “ simgesi ile simgelenmektedir. Demir hayatımızda o kadar çok yer etmiş bir metaldir ki, Ülkelerin gelişmişlik seviyeleri bile kişi başına tüketilen demir miktarıyla ölçülmektedir.

Demirin atom ağırlığı 55.8 olup, atom numarası 26’dır. Ağırlıkça Dünya’da en çok bulunan elementtir ve Dünya çekirdeğinin dış ve iç kısımlarında bol miktarda bulunmaktadır. Bu oran yaklaşık % 5’tir. Demirin -2’den +7’ye kadar değerliği olmasına rağmen en yaygın bulunan element değerlikleri +2 ve +3’tür. Rengi metalik gri olarak tanımlanmaktadır.

Periyodik cetvelde, 8. Grup, 4. Periyod d grubunda bulunur. Geçiş metalleri sınıfındadır.

En yaygın demir cevherleri ; Magnetit, Hematit, Limonit, Götit ve Pirit şeklinde sıralanmaktadır.

Türkiye’de demir cevherinin en çok çıkarıldığı yerler aşağıdaki gibidir;

  • Sivas – Divriği
  • Balıkesir – Edremit
  • İzmit – Torbalı
  • Hatay
  • Bingöl
  • Kayseri
  • Malatya – Hekimhan

Mekanik Özellikleri



Oda sıcaklığında katı halde bulunan demir, 1538°C’de ergir. 2862°C’de ise kaynamaya başlar. Yoğunluğu yaklaşık olarak 7.87 gr/cm3’tür.

Demir element olarak oksijene ilgisi ( afinitesi ) çok yüksek olan bir metal türüdür. Element olarak bulunması meteor veya düşük oksijen ortamlarında mümkündür. Ortamda oksijen bulunduğunda direkt olarak bağ yaparak demir oksidi oluşturur. Buna halk arasında pas denilmektedir. Demirin alüminyumdan farkı, alüminyum oksijen ile bağ yaptığında oluşan oksit tabakası alüminyum üstünde koruyucu bir tabaka görevi görür iken, demirde bu olay gözlemlenmez. Demir yüzeyinde oluşan pas dökülür, yerine tekrar paslanmaya müsait demir yüzeyi çıkar. Bu olay, demir tamamen paslanana kadar devam eder.

demir nedir

demir nedir

Saf demir, görece yumuşaktır. İçerisine alaşım elementi katıldıkça sertleşir. Demir-Karbon Denge Diyagramına göre, demir içerisine % 2’ye kadar karbon elementi eklendiği zaman çelik elde edilmektedir. Çeliğin sertliği saf demire oranla 1000 kat daha fazladır. Bu da modern sanayide kullanılabilmesini sağlamıştır.

 

Demir Üretimi

Demir nedir sorusuna cevap ararken ilk olarak, nasıl üretildiğinin bilinmesi gerekmektedir. Demir, doğada cevher olarak bulunmaktadır. Cevher halinden, mühendislik malzemesi haline gelmesi, metalurji mühendisliğinin sahasına girmektedir. Bu üretim sürecinde yüksek fırın kullanılmaktadır. Yüksek fırınlar, yaklaşık 100 metre uzunluğa sahip ham demir üretmeye yarayan fırınlardır. Ülkemizde Erdemir, Kardemir, İsdemir gibi devasa büyük üretim tesislerinde yüksek fırın örneklerine rastlanılmaktadır.

Ülkemizde, yüksek fırınlara kadın isimleri verilir. Bunun nedeni, üretim ve verimliliğin yüksek olmasının istenmesidir. (Doğurganlığa atıfta bulunulmaktadır. )

Çok detaya girmeden anlatacak olursak, kok kömürü şarj edilen yüksek fırında, demir oksit cevheri ile kok kömüründeki karbon ve eklenen kireç reaksiyona girer. CO2, CO gazları meydana gelir. Oluşan sıcaklıkla birlikte, fırının üst kısmından verilen hammaddeler ( hematit, kok kömürü, kireç taşı vb. ) ergimeye başlar. Temel husus; demir oksitin indirgenmesidir. Bu indirgenme olayı da, oluşan CO ( karbon monoksit ) gazı ile meydana gelmektedir.

Bu işlem sonucunda ham demir oluşur. Yan ürün olarak da cüruf oluşmaktadır. Cüruf yoğunluğu, pik demirden daha düşük olduğu için ergiyik halde bulunan demirin üstünde toplanır. Ergiyik halde bulunan demir de, yüksek fırının altından alınır. Böylece ham demir oluşmuş olur.

Oluşan ham demir, yüksek karbon içeriğine sahiptir ve mühendislik alaşımları içerisinde kullanılabilmesi için, çelik haline getirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle yüksek fırında oluşan ham demir çelik hane’ye iletilerek, karbon miktarı azaltılır ve gerekli alaşım elementleri eklenerek kullanılabilir hale getirilir.

Demirin ergitilmesi için önceki yıllarda odun kömürü kullanılmaktaydı. Bu kömürün üretilebilmesi için ağaçların kesilmesi gerektiğinden ve ağaç sayısının azalmasından dolayı yerine kok kullanılmaya başlanmıştır. Kok kömürünün bu tip sanayi uygulamalarında kullanılması, metal eritme işlemlerinde gereksinim duyulan bu yüksek enerjinin sağlanılmasına neden olmuştur.

Kullanım Alanları

Demir nedir sorusuna net cevap vermek adına ilk önce demir karbon denge diyagramı ile ilgili yazımızı okumanızı tavsiye ederiz.

https://www.metalurjimalzeme.net/demir-karbon-denge-diyagrami/

demir nedir diyagram

demir nedir diyagram

Önceki paragraflarımızda da bahsettiğimiz üzere, malzeme bilimi ne kadar yol aldıysa da, halen demir ve çelik alaşımları bütün Dünya’da en çok kullanılan malzeme grubunu temsil etmektedir. Bu husustaki en önemli faktör, dayanımının yüksek olması, şekil verilebilir olması ve üretiminin kolay olmasıdır.

Aşağıda listelenen sektörler, bir demir alaşımı olan çeliğin yaygın olarak kullanıldığı yerlerdir. Örnekler rahatlıkla çoğaltılabilir.

  • Neredeyse bütün endüstri gruplarında kullanılabilir olması,
  • Otomotiv Sanayi,
  • Gemi inşaatı Sanayi,
  • Petrol-Doğal Gaz Santralleri ve Boru Hatları,
  • İnşaat, yol, köprü yapımları.
  • Basınçlı Ekipmanlar ( Eşanjör, Depolama Tankları )

Bütün bu sıralananlara ek olarak, kırmızı kan hücrelerinde hemoglobin adı verilen proteinde de demir bulunmaktadır ve oksijeni bağlayarak kan ile oksijen taşınmasını sağlar.

Metalurjik Uygulamalar

denge diyagramı

denge diyagramı

Demir – Karbon Denge Diyagramı incelendiğinde alfa-demirinin çok küçük miktarda alfa demiri çözebileceği görülebilmektedir. Bu miktar % 0.02 civarındadır. Çözebildiği düşük karbondan dolayı, alfa demirleri yumuşak ve kullanıma uygun değildirler. Alfa demiri manyetiktir.

Demirin, östenit fazına bakıldığında ise, çözebildiği karbon miktarı % 2’ye kadar çıkabilmektedir. Demir, östenit fazında iken YMK – Yüzey Merkezli Kübik kafes yapısına sahip olduğundan dolayı, kayma düzlemleri fazladır ve şekil verilebilirliği de yüksektir. Demir, östenit fazında iken manyetik değildir.

%3.5 – 4 arasında karbon içeren pik demir ise içerisinde istenmeyen alaşım elementleri bulundurması ve yüksek karbon ihtivası nedeniyle, endüstriyel uygulamalar için uygun değildir. Ancak; dökme demir ve çelik imalatı için bir ” ara ürün ” olarak kullanılmaktadır. Pik demir, içerisinde yüksek miktarda kükürt, fosfor ve silikon barındırır. Bu elementlerin fazla olması mekanik özellikleri kötü etkilemektedir.

Dökme demirlere bakıldığında ise, çeliğe oranla yüksek karbon içermesi nedeniyle ( %2-4 arasında ), yüksek sertlik ve dayanım sergilerken, darbe dayancının düşük olması kullanımlarını kısıtlamaktadır. Dökme demirlerdeki fazla karbon, mikro yapı içerisinde sementit ve demir karbür Fe3C şeklinde bulunmaktadır.

https://www.metalurjimalzeme.net/dokme-demir/

wikipedia’nın dökme demir ile ilgili makalesine ulaşmak için aşağıdaki bağlantıyı kullanabilirsiniz.

https://en.wikipedia.org/wiki/Cast_iron

Ötektoid nokta olan 723°C ve %0.8 karbon içeren çeliği, oda sıcaklığına kadar yavaş soğutursanız, alfa demiri ve sementit oluşmakta iken, aynı özellikteki çeliği hızlı soğutma ile oda sıcaklığına soğutursanız, karbon yapıdan ayrılıp sementit oluşturmaya vakit bulamaz ve kristal yapı içerisinde kalır ve martenzit denilen aşırı sert bir hal alır. Bu yapı çeliğin alabileceği en sert yapıdır ancak, sertliğinden dolayı kırılgandır. Oluşan bu yapı, ısıl işlem ile martenzit ve perlit yüzdeleri değiştirilebilir. Soğutma işlemi ne kadar yavaş yapılır ise, o oranda perlit oluşur, martenzit miktarı azalır.

Karbon Çelikler



Karbon çelikler, mühendislikte % 2 veya daha düşük karbon içeren demir alaşımlarına verilen genel isimdir. Karbon içeriği yanında, mangan, kükürt, fosfor ve silikon gibi alaşım elementleri de eklenmektedir. Paslanmaz çeliklerden farklı olarak krom, nikel gibi elementler karbon çeliklerde bulunmazlar.

Bu tip demir alaşımlarına analiz yapıldığında ve içeriklerinde fosfor ve kükürt bulunduğunda, bu oluşum standartlar tarafından sınırlandırılmaktadır. Çünkü fosfor ve kükürt, demir alaşımlarında istenmemektedir. Düşük sıcaklıklarda kırılganlığa neden olabilen bu elementler, demir alaşımlarının dayanımlarını düşürmektedirler.

demir nedir kimyasal

demir nedir kimyasal

Yukarıdaki tablo, ASME standardına ait olup SA-516 bölümündeki karbon çelik demir alaşımlarının kimyasal analizlerini göstermektedir. Kırmızı ile işaretli kısımda, fosfor ve kükürt oranları %0.035 ile sınırlandırılmıştır. Ölçüm sonuçlarına göre bu değerden yüksek olan miktarlarda kullanımına izin verilmez.

Karbon çelik dediğimiz demir alaşımları halen dünya’da en çok kullanılan çelik türüdür. Ancak; bu alaşımların en büyük dezavantajı korozyondur. Korozyon, her yıl Dünya ekonomisinin % 1’ini etkilemektedir. Bu da üstüne düşünülmesi gereken bir konudur. Korozyonu önlemek için bilim insanları, mühendisler her yıl yeni bir metot çıkarıyorlar. En bilinen korozyon önleme mekanizmaları;

  • Galvanizleme
  • Boyama
  • Kaplama
  • Katodik Koruma vb.

şeklinde sıralanmaktadır.

Korozyon ile ilgili yazımız için aşağıdaki bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

https://www.metalurjimalzeme.net/korozyon-nedir/

 

Umarız bu yazımızda, demir nedir sorunuza cevap verebilmişizdir.

Teşekkürler…

Murat Kulaç

 

 

 

 

Please follow and like us: