Pik Döküm

Demir, atom numarası 26 olan kimyasal element. Simgesi Fe dir (Latince. Ferrum dan).

Elektrolizle arıtılmış (%99,97+) saflıkta demir parçaları ve karşılaştırma için yüksek saflıkta (99,9999 % = 6N) 1 cm3 hacminde demirden bir küp.
Demir, yerkabuğunda en çok bulunan metaldir. Yerkürenin merkezindeki sıvı çekirdeğin de tek bir demir kristali olduğu tahmin edilmekle birlikte, demir nikel alaşımı olma ihtimali daha yüksektir. Dünyanın merkezindeki bu kadar yüksek miktardaki yoğun demir kütlesinin dünyanın manyetik alanına etki ettiği düşünülmektedir.

Demir metali, demir cevherlerinden elde edilir ve doğada nadiren elementel halde bulunur. Metalik demir elde etmek için, cevherdeki katışkıların (İndg: impurity) kimyasal indirgenme yoluyla uzaklaştırılmaları gerekir. Demir, aslında büyük ölçüde karbonlu bir alaşım olarak kabul edilebilecek olan çelik yapımında kullanılır.

Demir, karbonla birlikte 1420–1470K sıcaklığa kadar ısıtıldığında oluşan sıvı ergiyik %96,5 demir ve %3,5 karbon içeren bir alaşımdır ve dökme demir veya pik olarak adlandırılır. Bu ürün ince detaylı şekiller halinde dökülebilirse de, içerdiği karbonun çoğunu uzaklaştırmak amacıyla dekarbürize edilmediği sürece, işlenebilmek için fazlasıyla kırılgandır.

Demirin ilk kullanımına dair işaretler, mızrak uçları, bıçak ve süs eşyası şeklinde olup Sümerlere ve eski Mısırlılara kadar (yaklaşık MÖ 4000 yılları) dayanmaktadır.

Demirin kolay korozyona uğraması nedeniyle altın ve gümüşten yapılan nesnelere kıyasla çok eski tarihlerde demirden yapılan nesnelere daha az rastlanır. G. A. Wainwright tarafından Giza, Mısır’da bulunan ve M.Ö. 3500 yıllarına ait olduğu tahmin edilen bazı demir boncukların meteor taşlarından yapıldığı düşünülmektedir. Çünkü, yerkabuğunda bulunan demir yok denecek kadar veya çok çok az bir miktar nikel içermesine karşın, bu boncuklarda meteor kökenli olduklarını belgelercesine % 7,5 oranında nikel içerik tespit edilmiştir.

Daha sonraları M.Ö. 2000 yıllarında özellikle Mezopotamya ve Anadolu civarında ergitilmiş demirden yapılmış objeler daha çok görülmeye başlanır. Bu objelerin içeriğinde nikele rastlanmaması da meteor taşlarından yapılmadıklarının bir göstergesidir. Ancak bunların kullanımlarının daha çok törensel olması, demirin o çağlarda altından bile daha pahalı olmasından dolayıdır. Örneğin İlyada’da savaş silahları bronzdan yapılmasına karşın demir ingotlar ticarette kullanılmaktadır. Bazı kaynaklara göre o çağlarda demir, bakır’ın saflaştırılması sırasında bir yan ürün olarak (‘sünger demir’) ortaya çıkmakta ve devrin metalurji bilgisi, demiri yeni baştan üretmeye M.Ö. 1600 ile M.Ö. 1200 yıllarına gelindiğinde demirin Orta Doğu’da giderek artan bir şekilde kullanıldığı görülür, fakat gene de bronzun yerini alamaz.

M.Ö. 1200 ile M.Ö. 1000 yıllarında Orta Doğu’da, araç-gereç ve silah yapımında bronzdan demire hızlı bir geçiş yaşanmasının ardında demir işleme teknolojisinde kaydedilen bir gelişme değil, bronz yapımında kullanılan kalayın arzında yaşanan kesinti yatmaktadır. Dünyanın değişik yörelerinde değişik zamanlarda yaşanan bu geçiş süreci, yeni bir çağın, ‘Demir Çağı’nın başlangıcının işareti olmuştur.

Demirin simyacılarca kullanılan simgesi. Bu simge, demirin, silahların metali olduğunu, savaş tanrısı Mars’ı işaret etmekteydi. Bronzdan demire geçiş süreci sırasında gerçekleşen bir başka keşif de karbürizasyon olmuştur. Karbürizasyonun kelime anlamı demire karbon ilavesi prosesidir. Demir, sünger demir şeklinde kazanılmış ve tekrarlı bir şekilde katlanarak dövülmek suretiyle içerdiği curufun kütleyi terketmesi ve karbonun oksitlenmesi sağlanmıştır. Ancak dövülmüş dökme demirin çok az karbon içermesi nedeniyle su verme ile sertleştirilmesi pek kolay olmamaktaydı. Orta Doğu insanları, dökme demiri, odun kömürü üzerinde uzun süre ısıtıp daha sonra su veya yağda su vererek çok daha sert bir ürün elde etmeyi başarmışlardır. Elde edilen ürün, çeliğin yüzeyine sahipti ve yavaş yavaş yerini almaya başlayacağı bronzdan çok daha sert ve daha az kırılgandı.
Çin’de Zhou hanedanının son yıllarına doğru (M.Ö. 550), oldukça gelişmiş ocak teknolojisi nedeniyle yeni bir demir üretim yöntemi ortaya çıktı. 1300 K sıcaklıkları aşan yüksek fırın yapabilmeleri, Çinlilerin dökme demir (veya pik demir) üretmelerini sağladı. Hindistan’da demirin kullanılışı M.Ö. 250 yıllarına kadar geri gider. Delhi’de Kutup kompleksindeki ünlü demir direk, saf demirden (%98) yapılmış olup bugüne kadar bozulmadan gelebilmiş ve paslanmamıştır. Demir, karbonla birlikte 1420–1470K sıcaklığa kadar ısıtıldığında oluşan sıvı ergiyik %96,5 demir ve %3,5 karbon içeren bir alaşımdır. Bu ürün ince detaylı şekiller halinde dökülebilirse de, içerdiği karbonun çoğunu uzaklaştırmak amacıyla dekarbürize edilmediği sürece, işlenebilmek için fazlasıyla kırılgandır.

İsveç demir çağından kalma bir balta. Gotland’da (İsveç) bulunmuştur. Avrupa’da dökme demirin gelişimi, ergitme ünitelerinde 1000K nin üzerine çıkılamadığı için epeyce geç olmuştur. Batı Avrupa’da, orta çağın büyük bir kısmında demir, sünger demirin dövülerek dökme demire dönüştürülmesiyle elde edilmiştir. Dökme demirin Avrupa’da ilk ortaya çıkışı İsveç’in Lapphyttan ve Vinarhyttan bölgelerinde 1150 ve 1350 yıllarında olmuştur. Bu gelişimin Moğollar tarafından Rusya üzerinden bu bölgelere getirildiği şeklindeki hipotezler doğrulanmamıştır. 14. yüzyılın sonlarına doğru, top güllelerine olan talep artışıyla birlikte dökme demir pazarı oluşmaya başlamıştır. İlk demir izabe (ergitme) işlemlerinde, hem ısı kaynağı hem de redükleme aracı olarak odun kömürü kullanılmıştır. 18. yüzyıl İngiltere’sinde ağaç kaynaklarının azalmasıyla birlikte alternatif olarak kok kömürü kullanılmış ve Abraham Darby’nin bu buluşu endüstri devrimi için gerekli olan enerji kaynağını ortaya çıkarmıştır.

Demir, tüm metaller içinde en çok kullanılandır ve tüm dünyada üretilen metallerin ağırlıkça %95’ini oluşturur. Düşük fiyatı ve yüksek mukavemet özellikleri demiri, otomotiv, gemi gövdesi yapımı, ve binaların yapısal bileşeni olarak kullanımında vazgeçilmez kılar. Çelik, en çok bilinen demir alaşımı olup, demirin diğer kullanım formları şunlardır:

Pik Demir: %4–%5 karbon ve değişen oranlarda katışkı (S, Si, P gibi) içerir. Demir cevherinden dökme demir ve çeliğe giden yolda bir ara ürün olarak değerlendirilebilir.

Dökme Demir: %2–%4 arasında karbon, %1 – %6 silisyum, ve az miktarda manganez içerir. Pik demirde bulunan ve malzeme özelliklerini olumsuz etkileyen, kükürt ve fosfor gibi katışkılar, kabul edilebilir seviyelere düşürülmüştür. 1420–1470 K arasındaki ergime sıcaklığı, her iki bileşeninin ergime sıcaklığından daha düşüktür ve bu özelliği ile demir ve karbon birlikte ısıtılmaları durumunda ilk ergiyen ürün olur. Mekanik özellikleri, büyük ölçüde, bileşiminde bulunan karbonun aldığı forma bağlıdır. ‘Beyaz’ dökme demirlerde karbon sementit veya demir karbür şeklindedir. Bu sert ve kırılgan bileşik, beyaz dökme demirleri sertleştirir fakat darbelere karşı dayanıksız kılar. Öte yandan, ‘gri’ dökme demirlerde karbon, serbest ince grafit pulcukları halindedir ve bu da, keskin kenarlı grafit pulcuklarının gerilim arttırma karakterinden dolayı malzemeyi kırılgan yapar. Gri dökme demirin daha yeni bir türü olan ‘sünek demir’de ise, malzemenin tokluk ve mukavemetini arttırmak için, dökme demirin az miktarda magnezyum ile muamele edilip grafit pulcuklarının şeklinin küresel veya nodüler hale dönmesi sağlanır. 

Karbon Çeliği: %0.4–%1.5 arasında karbon ile az miktarlarda manganez, kükürt, fosfor, ve silisyum içerir.

Dövülebilir Dökme Demir: %0.2 den daha az karbon içerir, tok ve dövülebilir bir üründür.

Alaşımlı Çelik: değişen miktarlarda karbonun yanı sıra, krom, vanadyum, molibden, nikel, tungsten gibi diğer metalleri de içerir ve daha çok yapısal alanlarda kullanılır. Demirçelik metalurjisindeki son gelişmeler, çok çeşitli mikroalaşımlandırılmış çeliklerin (‘HSLA’ veya ‘yüksek mukavemet, düşük alaşım’ çelikleri) ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu çelik alaşımlarının en büyük özeliği, çok küçük miktarlardaki alaşım elementi ilavesiyle çok yüksek mukavemet ve tokluğun elde edilebilmesidir.

Demir (III) Oksit: bilgisayarlarda manyetik depolama ünitelerinin yapımında kullanılır.

Demir uzayda en çok bulunan elementlerden birisi olup yerkabuğunda %5,06 oranında bulunur. Genel olarak yerkabuğunda bulunan demir filizleri (cevherleri) hematit, limonit, götit, magnetit, siderit ve pirittir. Dünyanın çekirdeğinin de büyük oranda metalik demir nikel alaşımından meydana geldiği tahmin edilmektedir.

Demir madenlerinden çıkarılan demir cevherlerini izabeye uygun hale getirmek için yüksek tenörlü ve düşük tenörlü cevherler için yapıan işlemler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Yüksek tenörlü cevherler için sadece boyut küçültme işlemine prosesine tabi tutulurlar. Düşük tenörlü cevherler ise gravite ayırma, manyetik ayırma, flotasyon, elektrostatik ayırma, yıkama, kalsinasyon, liç, seçimli salkımlaştırma gibi yöntemler kullanılarak hazırlanırlar.