Bu yazı Ali KOZANOĞLU tarafından yıllar öncesinde kaleme alınmıştır.
DEMİR / FERRUM
Demir: kim. Atom sayısı 26, mavimtrak esmer renkte, 7,8 gr/cm³ yoğunlukta, 1510ºC de ergiyen, özellikle çelik, döküm ve alaşımlar durumunda sanayide kullanılmaya en elverişli element. Kısaltması “Fe” (Latince ferrum’dan). (Türkçe Sözlük; Türk Dil Kurumu. Yeni Baskı 1988)
Bıçak nereden gelmiş, ne şekillere girmiş diye daha önce bir çuval laf ettik. Fakat, bu arada bıçağın malzemesinden pek sudan bir şekilde bahsettik. Cilalı taş devrinin çakmak taşı veya obsidyen bıçak ağızlarından 30-40 sene evvel kullanılan “stellite” ve günümüzdeki bazı “seramik” ağızlar gibi demir içermeyen (non-ferrous) malzemelere gelinceye kadar geçen binlerce yıl boyunca, kesici aletlerimiz önce bakır elemanından, sonra bakır/kalay alaşımı olan bronz veya tunçtan (bunlarda demir içermeyen yani non-ferrous malzemelerdir), ve daha sonra da demirden yapılmıştır.
Buradaki “demir” sözcüğü çok alışılmış şeklinde, fakat yanlış olarak kullanılmıştır. Demir elemanı saf halinde hem kolay bulunmaz, hem de kesici alet yapımı için bronzdan pek daha uygun değildir. Çünkü, biraz yumuşaktır ve ağız tutmaz. Bizim “demir” dediğimiz malzemeler genelde demirin karbonlu bazı alaşımlarıdır. %3 – %5 civarında karbon içeren demir alaşımları genellikle döküm demir adı altında sınıflandırılır. Kolay dökülmeye yatkın oldukları kadar büyük kristalli dokuları ile kolay kırılmaya da yatkın malzemelerdir. Bazıları sert bir darbe ile un ufak olabilir. Yani, bunlar da kesici alet yapımı için uygun değildir.
Oldukça yeni sayılabilecek, külliyetli miktarlarda krom, nikel ve hatta bazen vanadyum, tungsten, molibden gibi elemanlar içeren yüksek karbonlu paslanmaz takım çeliklerini saymazsak, döküm demir haricinde kullandığımız hemen hemen tüm “demir” malzeme aslında demirin ‰ 0.4 (on binde dört) ila ‰ 20 (binde yirmi veya yüzde iki) karbon içeren alaşımlarıdır, ve bunlara da teknik olarak “çelik” denir. Karbon çelikleri, kullanış maksatlarına göre altı ana gruba ayrılır:
‰ 0.4 – ‰ 0.8 Çok Yumuşak Sac levha, boru, lama, vb.
‰ 0.8 – ‰ 2.5 Yumuşak Putreller, inşaat demiri, vb.
‰ 2.5 – ‰ 4.5 Karbonlu Raylar, şaftlar, miller, vb. -Transmisyon Ç.
‰ 4.5 – ‰ 6.5 Orta karbonlu Cıvata, somun, vb. - İmalat Çeliği
‰ 6.5 – ‰ 9 Yüksek karbonlu Matkap, anahtar, pense, vb. - Takım Çeliği
‰ 9 -- ‰ 15 Çok yüksek karbonlu Testere, eye, ustura, vb. - Takım Çeliği
Demir, doğada genel olarak oksijen, fosfor, kükürt, silis ve bazı diğer elemanlarla birleşik ve yabancı maddelerle karışık maden cevherleri halinde bulunur. Tabii, unutmamak gerekir ki dünyamızın merkezinde de çok yüksek ısıda demir ve nikel bulunmaktadır. Bu elemanlar ergime derecelerinin çok üstünde bulunmalarına rağmen, basınç ve yer çekimi sebebiyle katı bir vaziyettedirler. Ne kadarı, ne şartlarda yer yüzüne çıkar, tam olarak bilinmemektedir.
Bunların yanı sıra, yer yüzünde, gök yüzünden gelme, neredeyse saf demir halinde, bazen içinde bir miktar nikel ve/veya krom, hatta molibden de bulunan, göktaşlarına rast gelinmektedir. Demir cevherinin işlenip kullanılabilecek bir demir kitlesi elde etmek pek de o kadar kolay bir iş değildir. O sebeple, daha akla yakın olan iddia, ilk kullanılabilen demirin bu bahsedilen göktaşlarından elde edildiği yönündedir.
Her ne kadar, sözlük demirin ergime derecesi için 1510ºC (derece santigrad) demişse de, demir alaşımlarında bu ısı daha düşüktür. Mesela %2.5 - % 4 civarında karbonu olan döküm demirlerin ergime derecesi 1400ºC-1450ºC civarındadır. Sıcak işleme ısısı ‰2 – ‰4 karbonlu yumuşak çelikler için 1200ºC -1250ºC arasında, yüksek karbonlu çelikler için ise daha da düşüktür.
Cevherlerin kullanılabilir durumda bir çeliğe dönüştürülmesi, göktaşı olarak dünyamıza düşen bir demir parçasının işlenme, şekillendirilmesinden daha yüksek ısılar gerektirdiğine göre, göktaşlarının daha önce kullanılmış oldukları iddiaları kuvvet kazanır. Şekillendirilmek istenen bir demir parçası ocakta tekrar tekrar ısıtılıp dövülürken yanan odun kömüründen gazlarından karbon emerek yavaş yavaş yüksek karbonlu çelik haline gelir.
Demirin doğada normal olarak cevherler halinde bulunduğundan bahsetmiştik. Belli başlı demir cevherleri;
Hematit (Fe2O3) Kızıl renkli taşlar
Limonit (2Fe2O3 • 3H2O) Kahverengi/Sarı taş
Takonit (FeSiO2) Kahverengi/Gri taş
Siderit (FeCO3) Sarımtırak Kahve/Gri/Beyaz taş
Pirit (FeS2) Parlak Gri/Sarı taş
Magnetit (Fe3O4) Siyah toz
Spatit (FeCO3) Siyah toz - Halinde bulunurlar.
Bu cevherler %50-70 civarında demir elemanı içerir. Demir dışındaki elemanların ve yabancı maddelerin çoğu rafine işlemi sırasında yanar veya curuf olarak demirin üzerine çıkar ve atılır. Ufak miktarda kalan -veya yakın zamanlarda istek üzerine katılan- ufak miktarlarda bazı elemanlar ise çeliğe bazı özellikler katarlar:
% 0.2 civarında Nickel katkısı güç
% 0.5-2.5 “ Krom “ güç %15-20 pas direnci
% 0.15 “ Vanadyum “ sağlamlık
% 0.3 “ Molibden “ aşınma direnci
% 12 “ Manganez “ mıknatıslanma direnci
% 15-20 “ Tungsten “ ısı ve aşınma direnci (hava çeliği)
% 15-20 “ Silikon “ asit direnci
% 0.25 “ Kurşun “ işlenmeyi kolaylaştırır
% 0.3 “ Kükürt “ işlenmeyi kolaylaştırır, fakat,
% 0.5 den fazla Kükürt “ sertleşme ve sulanmaya direnç sağlar*
(* Kükürt katkısının bu özelliği bıçak ağzı için kadar ne kadar istenmeyen bir özellikse de, tüfek namlularında tam aksine, istenilen bir özelliktir. Gerek imalat sırasında, gerek defalarca atışın verdiği şokla namlu çeliğinin sertleşmesini ve bu sebepten yarılmasını, parçalanmasını önler.)
Dünya kültürlerinde demirin keşfi hakkında kesin bir bilgi olmamakla beraber bizim Ergenekon destanımıza benzer destanlar, hikayeler bir çok Asya ve Mezopotamya ülkesinde kültürlerinin bir parçasıdır.
Mısır piramitlerinde MÖ. 2500, Ön-Asya Hitit kalıntıları arasında MÖ. 1900 yıllarından kalma demir eşyalar bulunmuştur (Sanmayın ki bu demirin Mısır’da daha önce bulunduğunu ispatlar. Mısır çöllerinin kuru havasında içleri boşaltılmış cesetler bile bozulmadan günümüze kadar kalmıştır). Asur ticaret belgelerinde ise yine MÖ. 1900 yılları civarında demirden bahsedilmektedir.
Genel kanıya göre, demir ilk olarak Ön-Asya veya Mezopotamya’da bulunmuştur. Ne var ki, Mısır’ın kuru iklimi ve piramitlerin koruyucu duvarları halen elimizde bulunan en eski demir eşyanın Mısır’da ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Kesin bir bilgi olmamakla beraber, bazı eski tarihçiler Mısır firavunlarının pek çok altın harcayarak ve ancak casuslarına Hititlerden çaldırarak demire sahip olabildiklerini iddia ederlerdi. Daha önce bahsettiğimiz; bir çelik bıçağın Firavunun altın bıçağından daha değerli olması da bu iddiaya destek olmaktadır.
Çelik bir kılıcın o zamanlarda kullanılan bronz kılıçları kıymık kıymık yontabileceğini düşünürseniz niye o kadar değerli olabileceğini de kolayca anlayabilirsiniz. Bu kadar değer verilen, üretimi ve işlenmesi çok müthiş devlet ve din sırrı (o zamanlarda böyle gizlilik gerektiren mühim ve özel işler hep rahiplere yaptırılırdı. Mesela, Mısır’ın mumyalama ustaları hep rahiplerden seçilirdi) olarak saklanan demirle ilgili hünerler ve bilgiler sonunda dünyaya yayılmış.
Her çağda işe yaradığı fark edilen maddeler ve bilgiler fazla uzun bir zaman gizli kalamayıp, şimdiki kadar hızlı olmasa da, eninde sonunda, ufak tefek farklarla bile olsa, tüm bilinen dünyaya yayılmış Endüstri casusluğu daima iyi kazanç sağlamış. Araştırmaya geliştirmeye para harcama, kafanı yorma. Yapılmış malı al, hazır lop, kopyala. Gel keyfim, gel!
Karbonsuz meteor demiri ocakta dövülürken karbon emerek çelikleşir demiştik. Bunun tam aksine cevherden elde edilen demirin içinde ise, cevher tozları veya kırıntıları kömürle beraber ocağa konup körükle üflenen havayla kömür yakılıp cevher rafine edildiği sırada emilen karbon sebebiyle, %5-10 arası bir oranda karbon bulunur.
Siderit, spatit gibi karbonatlı cevherlerin içindeki karbon da bu içeriğe katkıda bulunur. Ocakta yanan kömür yanarken bir yandan da gerek karbonatlı gerek oksitli cevherlerin oksijenini emer. İlkel rafine işlemlerinde, bu safhada sünger demiri denilen çok kolay kırılıp ufalanan bir malzeme elde edilir.
Bu ocakta yüksek hararette ısıtılıp dövülerek içinde kalan curufla beraber karbonun bir kısmı da dövülen takozun dışına zorlanır. Isıtılıp dövüldükçe dışarı atılan curuf ve karbon yüzünden malzeme % 1-2 arası karbon içerir hale gelince artık su alabilecek bir karbon çeliği olmuştur.
Sarma veya “damascus” çeliği denilen ve bıçaklarda kullanılan “damascus” çeliğiyle ateşli silah namlularında kullanılan “damascus” çeliği tamamen farklıdır. Bıçak çeliği % 1-2 arası karbon içeren ve sertleşebilen bir çeliktir. Sarma namlu ise % 0.4-0.5 karbon ile % 1 civarında kükürt içeren sertleştirilemeyen yumuşak çelik tellerden dövülerek kaynatılmıştır. Bıçak çeliğine nispetle daha büyük olan hareleri bu tellerin birbirine kaynadığı yerlerin az da olsa artan karbonu yüzünden kimyasal olarak kararmasıyla ortaya çıkar. Fakat bunlar daha ziyade marifet göstermek, değişik görünümler elde edilmek için yapılmaktadır. Bıçak, kılıç ağızlarının bazılarında görülen çok ufak lekeler, noktalar ve çok ince küçük hareler genellikle bu tip çeliğin içinde kalan ve homojen bir şekilde dağılmış ince karbon zerreciklerinin sebep olduğu kimyasal kararmalardır.
Günümüzde bazı bıçak ustaları çelik kabloları hatta iki veya daha fazla cins paslanmaz çeliği ocakta döverek kaynatmakta, ve çok değişik görünümlü “damascus” çelikleri yapmaktadır.
Eski, gerçek “damascus” bıçak, kılıç çeliğinin leke ve hareleri ise içindeki karbon miktarını ve bu karbonun ne kadar homojen dağıldığını gösteren bir nevi malzeme ve işçilik kalitesi kanıtıydı.
Damascus, Şam kentinin Frenkçe adıdır. Çok eski bir ticaret merkezi olarak hem doğu ile batı arasında bir kavşak hem de mühim bir pazar kenti olduğu biliniyor. Kentin bu rolü halen kısmen de olsa devam etmekte. Şam’da bulunan yollu hareleri ile göz alıcı bir şekilde gri jan janlı bir ipek dokuması gören yabancıların hayranlığını kazanır aklını çelermiş. Damask çeliğin Damascus’ta yapılmış olmasından ziyade bu bahsedilen Damascus ipeğine benzeyen yolları, hareleri yüzünden isimlendirildiği sanılmaktadır. Lakin, Mezopotamyanın eski bir demircilik merkezi olduğu da düşünülürse, batılıların ilk hareli çeliği Mezopotamya'nın bir yerlerinde veya Şam civarında görüp bu adı takmış olmaları da muhtemeldir.
İşin dekoratif yanı, görüntüsü, süsü, makyajı o zamanlar ancak ikinci, üçüncü planda gelmesi gereken şeylerdi. Birinci düşünce, bıçak ağzının sağlamlığı, keskinliğiydi. Aslında, belki de hala öyle olması gerekir. Ne var ki, (bilhassa Amerika’da) parası aklından çok bazı kişiler çok büyük paralar harcayarak özel bıçaklar, çakılar yaptırıp bunların koleksiyonunu yaparlar, fakat bu bıçaklar bir kere dahi kullanılmaz, çakılar bir kere dahi açılıp kapatılmaz. Yoksa “orijinallikleri” ve değerleri azalır. Her ne olursa olsun, iyi bir ustanın yaptığı bir bıçağın, kullanılmayacak dahi olsa, kötü veya kuvvetsiz olabileceğini aklım kesmiyor.
Tabi, bizim için bıçak ilk planda yine de, kullanıldığında iyi hizmet verecek, ağzı kolay körelmeyecek ama köreldiğinde kolay bilenebilecek (şunu belirtmek isterim ki, çok zor körelecek bi bıçak yapmak bugün bulunan bazı çeliklerle kabil; yalnız kazara bilenmeleri gerekirse de bunu ancak böyle bir çeliği işlemeye uygun aletleri, taşları olan bir usta yapabilir), bir kemiğe rastladığında ağız kırılmayacak, dönmeyecek, yağmurda ıslandığında veya suya düştüğünde sapı dağılmayacak bir kesici alet olmalı, fonksiyonuyla yakından ilgili olmayan her hangi bir güzellik veya süs ikinci düşüncemiz olmalıdır.
Biliyorum, bu seferki yazı yer yer bir ders kitabı okuyormuşsunuz hissini uyandıracak. Yalnız, bazı çeliklerin niye keskinleşmediğini veya bazı bıçakların niye cam gibi kırıldığını gerçekten merak ediyorsanız, teknolojinin detaylarına biraz girmek, sıkıcılığına rağmen faydalı olabilir.
İster en iyisinden bir dövme “damascus” olsun ister hurdadan aldığımız bir parça çelik lama (daha öncede bahsedildiği gibi otomobil makas çeliği, bilhassa eski model Amerikan otomobillerinin SAE 6195 veya muadili yay çelikleri hep tekrar ettiğimiz %1 karbon yanı sıra %1 krom ve ‰2 vanadyum içerdikleri gibi, yay için de sertleşmeleri gerektiği için hemen hiç kükürt ve fosfor içermezler), veya bir malzeme mağazasından alınacak yeni temiz (takriben aynı maddeleri içeren) uygun bir çelik parçası, dövülerek şekillenmiş dahi olsa, her hangi bir temizlik veya ufak tefek şekillendirme işleminden önce bile hepsinin tavlanması “normalleştirilmesi” (annealing) gerekir. Bu yapılmazsa hem şekillendirme zor veya imkansız olur, hem de daha sonraki ısıl işlemler sırasında bıçak ağzında dönme veya eğrilmeler ortaya çıkabilir.
Tavlama :
Tavlamanın maksadı sadece çeliği yumuşatmak değil aynı zamanda da ilk imalat sırasında haddelenirken veya daha sonra işlenirken veya bir otomobilin altında milyonlarca defa aşağı yukarı esnerken bünyesinde oluşan “stress” (gerilim), leri, “strain” (kasılma) leri ortadan kaldırmaktır.
İdeal olarak çelik parçası döküm veya sac bir kutu veya uygun büyüklükte bir borunun içine kül, toz kireç veya ince kumla çevrili olarak kapatılır. Bu kutu fırında (yüksek karbonlu çelik için) 750±25°C ısısına getirilir ve aynı kutu içinde yavaşça soğumaya bırakılır. Bunun en iyi şekli ocak sönüp kapatıldığı zaman olur. (Eğer sadece ufak bir parça tavlanacak ise ateş tuğlasından bir hazne içinde şalumo ile kızdırıp kül veya kireç tozuna gömerek soğumasını da bekleyebiliriz)
Bundan sonraki kesme, eğeleme, temizlik, vs. işlemleri sırasında bu çelik paçasını kızdırmamaya daha doğrusu elle tutulamayacak bir ısıya çıkartmamaya özen göstermek gerekir. Böyle bir ısınma olduğunda, malzeme ılık suya sokularak normal ısıya indirilir.
Sertleştirme:
İstenilen son şeklini almış ve zımparayla (300 grit civarında) temizlenmiş olan çelik parçasının artık “sertleştirilme” (Hardening) vakti gelmiştir. Çelik normal ısıdayken içinde bulunan ve sertleşmesini sağlayan karbon “pearlite” formundadır. Çelik belirli bir ısı derecesine çıkartıldığında (Bıçak için kullanılacak karbonlu çeliklerde takriben 720˚-740˚C) karbon “martinsite” formunu alır.
Çelik bu ısıya vardığında mıknatıs çekmez olur fakat biraz daha ısınınca tekrar mıknatıs çeker. Pirometre bulunmayan bir atölyede bir mıknatısla kontrol faydalı olur. Her ne kadar sertleştirme ısısına geldiğinde çeliğin “parlak kiraz kırmızısı” olduğu söylenirse de atölyenin aydınlatma durumu veya insandan ainsana değişen bazı algılama farkları bu renk için gerekenden daha geniş bir ısı farkı ortaya çıkarabilir. Bunun sonucunda çelik tam sertleştirme ısısına çıkmamışsa istenilen sertlik elde edilemez, sertleştirilme ısısı aşılmışsa çelik “yanar” ve ufalanarak kırılmaya yatkınlaşır.
Sertleştirme ısısına çıkartılıp bu ısıda bir müddet (parçanın büyüklüğüne göre ısının her tarafa tam ve homojen olarak işlemesi için değişebilen bir süre) tutulan çelik parçası soğutma (quenching) banyosuna dikine (bıçağın ucu aşağı sapı yukarı durumda) daldırılarak her tarafı aynı hızda soğuyacak şekilde (genelde 8 rakamı çizer gibi hareketlerle) banyo içinde gezdirilir.
Bu ani soğuma sırasında (ne kadar çabuk soğursa o kadar sert olmak şartıyla) çeliğin kristal formu yavaş soğuma sırasında olan değişimleri geçirmeyerek (tavlamanın aksine) sertleşir. Buna “su verme” diyoruz.
Soğutma banyolarında su, tuzlu su, çeşitli yağlar, bazı kimyasal maddelerin eriyikleri ve hatta cıva kullanır. Bazı banyolar çelik çok kırılgan olmasın diye belirli miktarlarda ısıtılırken, çok sert aletler için soğutulmuş banyolar hatta donmuş karbon dioksit (CO2) kullanılır. Hava çelikleri için ise hızla üflenen soğuk hava kullanıldığı gibi ocaktan çıkan çeliğin hareketsiz olarak oda ısısında soğuması da beklenebilir.
Otomobil makası çeliği gibi bir malzeme için ısıl işlem banyosu yağı kullanılır. Babadan görme demirci ustalarımız günümüzde bile yanık motor yağı kullanarak oldukça iyi neticeler alırlar.
Temperleme:
Soğutma banyosunda sonra çelik çok ser fakat neredeyse bir cam parçası kadar kırılgan olur. Elimizden düşürsek veya biraz zorlasak parça parça olabilir. Bu durumdaki çeliği kullanmak imkansızdır. Bu yüzden malzemenin bir miktar ısıtılarak (bıçak için 210˚-300˚C) tekrar soğutulması gerekir (tempering). Bu ısıtma için bir ısıl işlem fırını, demirci ocağı veya bir şalumo kullanılabilir. Çelik bir zımpara ile temizlenerek yüzeyi parlatılır. Çeliğin yüzeyi gözlenerek ısıtmaya başlanır. Yüzey saman sarısı (210C) ile mor (300C) arası istenilen bir renge geldiğinde (Isı yükseldikçe kırılganlık ve sertlik azalır. Fazla yüksek ısıda temperlenirse bıçak ağız tutmaz) suya veya yağa sokarak tekrar soğutulur. Bu durumda da çeliğe “çifte su verilmiş” olur. Yani, ağız tutacak kadar sert fakat kırılmayacak kadar yumuşak ve bir yay gibi esneyecek kadar sağlam.
(Bazı usta demirciler bıçakları temperlerken ocağın ateşini hafif tutar ve bıçağı sırtı aşağı ağzı yukarı bakar şekilde ısıtırlar. Bıçağın sırtı kahve-mor arası bir renk aldığında ağzı hala sarımsıdır. Bu durumda bıçak ateşten çekilip istenilen rengin ağza “yürümesi” beklenip bıçak sertleştirmede anlatıldığı gibi dikine olarak soğutma banyosuna daldırılıp 8 sayısı şeklinde gezdirilerek soğutulur. Dikkatli çalışılırsa bunu bir şalumo ile yapmak da mümkündür.)
Temizlik:
İstenilen şekil verilmiş ve istenilen sertliğe getirilmiş olan çelik temperleme sonrası sarı, kahve, mor renklerde gökkuşağı gibi renklenmiştir. Bu renkli tabaka hem kolay paslanır hem de renkler düzgün dağılmadığından biraz kötü görünür.
Gittikçe incelen kumlarda zımparalarla (300-600 hatta 1200 e kadar “grit”lerde) ve her bir ince zımparaya geçildiğinde bir öncekine dik istikamette zımparalanarak ve bir önceki işlemin tüm izleri kaybolana kadar bıçak temizlenir, parlatılır.
İstenilen temizlik ve parlaklık seviyesine erişen malzeme hafifçe yağlanıp silinir. Çok uzun bir süre kullanılmayacak ise ince bir kat gres sürmek daha koruyucu olur.
2 Yanıt
8352 Gösterim