Bakır ve Bakır Alaşımları

Bakır ve bronz insanların ilk kullandıkları metal malzemelerdir. Bakırdan daha yüksek dayanımlı olan bronzun M.Ö. 2500 yıllarında üretilmesiyle, günlük kullanım araçlarında metal malzemelerin üstün tokluk özelliklerinden tam anlamıyla yararlanılmaya başlanmıştır. Dolayısıyla Bronz Çağı uygarlık tarihinde önemli bir aşamayı temsil eder.

19.yüzyılın sonuna doğru elektrotekniğin gelişmesi, elektriği çok iyi ileten saf bakıra duyulan gereksinmeyi giderek artırmıştır. Öte yandan bu tür bakır daha çok elektrolitik arıtma, yani elektrik enerjisi yardımıyla elde edildiğinden, elektroteknik ve bakır üretimi birbirlerini karşılıklı destekleyerek gelişmişlerdir.
 

Bakır 1083°C sıcaklıkta eriyen bir ağır metaldir. Çoğunlukla sülfür esaslı olan bakır cevherleri ön zenginleştirme işleminden sonra eritilerek, mat veya bakır taşı denilen bir ara ürüne dönüştürülür. Sıvı haldeki mat'a konverterde SiO₂ katılıp hava üflenmesi sonucu, FeSiO₃ olarak cürufa geçen demir ve yanan kükürt büyük ölçüde azalır. Böylece demir, nikel, arsenik, kükürt ve asal metaller gibi katışkıları %2 dolayına indirilmiş blister bakır elde edilir. 

Bu ham bakırın gerektiğinde bakır hurdası ile birlikte alev ocağında eritilmesi, katışkıların bir bölümünün daha oksitlenerek cürufta toplanmasını sağlar (ateşte arıtma). Öte yandan meydana gelen Cu₂O, içyapıda fazlaca bulunursa sünekliği düşüreceğinden, banyoya çoğu kez yaş ağaç gövdeleri daldırılarak çıkan gazlar (H₂,CO) yardımıyla indirgenir (kavaklama). Ancak eriyikte oksijen azalırken çözünen hidrojen miktarı arttığı için, oksijen tümüyle giderilmeden döküm yapılırsa (tok bakır, O : %0,005-0,04), katılaşma sırasında serbest kalan gazların yarattığı gözenek hacmi sadece metalin kendini çekmesini dengeleyecek kadar olur. Böylece üst düzeyi düzlemsel biçimde katılaşmış, yani lunker oluşumu önlenmiş yüksek verimli ingot elde edilir. Ateşte arıtılmış tok bakır elektroteknik kaliteye erişebilir, örneğin DIN 1708'e göre E2-Cu58. Bununla birlikte söz konusu yöntemin uygulanmasını anot bakırı üretimiyle sınırlayıp, bu noktadan sonra elektrolitik arıtmaya geçilmesi çoğunlukla daha ekonomiktir. 

Sülfirik asitli bakır sülfat çözeltisi kullanılan elektrolizde, anodun bileşimindeki bakır ve normal potansiyelleri daha düşük metaller elektrolitte çözünür; bakır bileşikleri ile birlikte anot çamuru olarak dipte toplanan asal metaller ise ayrıca değerlendirilir. Elektroliz işlemi ideal koşullarda gerçekleştirilirse, çözeltiden ayrılıp katot levhasına biriken bakırın saflığı %99,99'a ulaşır. Bu katot bakın (KE-Cu) ingot veya değişik şekilli parçalara dönüştürülmek üzere, bazen çok yüksek iletkenlikte hurda da katılarak, eritilip kalıba dökülür. Böylece elektrolitik tok bakır (E1-Cu58) veya eritme özel atmosferde yapılmışsa, ayrıca indirgemeye gerek kalmadan oksijensiz bakır (OF-Cu) elde edilir (DIN 1708). 

Üretilen bakırın yaklaşık %70'i iletken yarı mamul yapımı için kullanılır ve piyasaya en çok tel çekme işleminin başlangıç malzemesi olan tel kütüğü (wire bar) halinde sunulur. 


Önerilen Makale: Çelik rulo sac malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik rulo sac sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.


Saf Bakır 

Katışkıları öngörülen düzeye kadar azaltılmış, ancak bu durumdaki özelliklerini değiştirmek amacıyla, herhangi bir alaşımlandırma işlemi görmemiş olan bakır türleri sat veya katkısız diye nitelenir. 

Bakırın başta gelen teknik özelliği, gümüşten sonra en iyi elektrik iletkenliğine sahip olmasıdır. Ancak kristal kafesi içinde yabancı atomların varlığı elektrik alanını bozarak elektronların hareketini engellediği için, katışkılar arasında öncelikle katı çözelti oluşturanlar iletkenliği önemli oranda düşürür. Örneğin en etkin oksit gidericilerden biri olan fosfor bu açıdan sakınca yaratır. Öte yandan katı durumda bakır kafesi içinde çözünemeyen elementlerin elektrik iletkenliğine etkisi hemen hemen yok gibidir. Bunlara örnek olarak, metalin elde edilmesi sırasında yapıda kalan ve ayrıca birleştiği katışkıları katı çözeltiden ayırarak bir ölçüde olumlu rol oynayan oksijen ile talaş kaldırılmasını kolaylaştıran kurşun ve tellür gösterilebilir. 

Her ikisi de metallerde elektronların serbest hareketiyle ilgili olduğundan, WIEDEMANN-FRANZ kanununa göre ısı ve elektrik iletkenliği birbiriyle orantılıdır. Dolayısıyla ısı iletkenliği de iyi olan bakır, ısı değiştirgeci, lehim havyası, alkol damıtma kazanı vb. yerlerde kullanılır. 

Isı değiştirgeçleri için seçilen bakırın çok saf olması genellikle gerekmez. Çünkü yüzeylerde oksit ve kısır oluşması ile-timi zaten oldukça engeller. 

Bakır ymk-kafesinden ötürü sünek ve düşük dayanımlı olduğundan, plastik şekillendirme yoluyla bant, boru, tel, profil ve kap kacak haline kolayca getirilebilir. Fazla pekleşmemesi nedeniyle, uygulanan yönteme göre %95'e kadar varan oranlarda, ara tavsız soğuk şekil değiştirmesi mümkündür. Yeniden kristalleşmesi alçak sıcaklıklarda gerçekleşir. Katkısız bakırın dayanımı çözünmüş katışkıların miktarına bağlı olup, saf durumda en küçüktür. Öte yandan işletme sıcaklığının 100-150°C a ulaşması bile sürünme sınırının hızla azalmasına yol açar. Öncelikle büyük elektrik makinalarında önem kazanan bu davranış nedeniyle, sıcaklık dayanımı daha yüksek olan özel katkılı türler geliştirilmiştir. Oksijen içeren bakır türlerinin içyapısında bulunan Cu₂O kalıntıları iç çentik etkisi yarattığından, yorulma zorlamasının söz konusu olduğu hallerde oksijensiz kaliteler seçilmelidir. 

Isı iletkenliğinin yüksek olması nedeniyle bakırın kaynağı güçtür; birleştirilecek bölgenin eritilmesi için verilen ısının büyük bir bölümü parçaya dağılır. Öte yandan gaz kaynağına sadece oksijeni giderilmiş türler elverişlidir. Oksijen içeren bakır, kaynak gazlarında veya örneğin ısıl işlemin yapıldığı koruyucu atmosferde bulunabilecek hidrojenin etkisiyle hasara uğrar. Hidrojen hastalığı denilen bu olay, yüksek sıcaklıkta kolayca çözünerek yayınan atomsal hidrojenin rastladığı bakır oksit parçacıklarıyla su buharı oluşturmasından ileri gelir: 

2 H + Cu₂O → 2 Cu + H₂O 

Yerel olarak birkaç bin bar düzeyine ulaşan buhar basıncı malzemede gözenek ve ayrılmalara neden olur. Sözü edilen içyapı hasarı çoğunlukla Cu-Cu₂O ötektiğinin bulunduğu tane sınırlarında görülür. Böylece dayanımını ve sünekliğini yitiren parçanın hurdaya ayrılması zorunludur. 

Bakır asetilenle patlayıcı bileşik yapar. Asitlerin özellikle oksitleyici olanlarına karşı dayanıksızdır. Nötr veya bazik sulu çözeltilerde ise kimyasal kararlılığı iyidir. Bu nedenle örneğin su boruları, bira fabrikalarının kaynatma kazanları gibi yerlerde kullanılabilir. Ancak organik asitli yiyecek ve içecekleri (meyve suyu, şarap) hazırlama ya da depolama donatımları için uygun bir malzeme değildir; zehirli bakır yeşili (bakır asetat) oluşturur. Damlar, oluklar vb. açık havadaki kullanımlarda meydana gelen bakır pasif yani bazik bakır karbonat tabakası korozyonunun ilerlemesini engeller.

Katkılı Bakır 

Bakırın yüksek sıcaklık dayanımı, talaşlı işlenme kabiliyeti gibi özelliklerini iyileştirmek amacıyla, temel karakterini değiştirmeyecek oranda (<%5) alaşımlandırılmasıyla elde edilen malzemeler katkılı (alaşımlı) bakır adı altında toplanabilir. Alaşım elementleri bakır kafesinde çözünerek veya gerektiğinde yeni fazlar meydana getirerek dayanımı artırır; bunlardan örneğin Cr, Zr, Be ise alaşımın ayrıca çökelme yoluyla sertleştirilebilmesini sağlarlar (DIN 17666). Katı çözelti oluşumunun elektrik iletkenliğini düşürmesine karşın, çökelme sertleştirmesinde uygun yaşlandırma koşulları seçilerek iletkenlik ve dayanım değerleri birlikte yükseltilebilir. 

Bazı uygulamalarda bakırın yüksek sıcaklıktaki sürünme davranışı yanında, banyo veya fırında lehimleme gibi işlemler açısından temper kararlılığı da önemlidir. Malzemenin temper kararlılığı, sertlik veya çekme dayanımında %10' dan fazla düşüş olmadan, belirli bir süre tutulabileceği sıcaklık ile tanımlanır. Böylece yapımı veya çalışması sırasında ısı etkisiyle karşılaşan yarı iletken devre taşıyıcısı, otomobil radyatörü, elektrik motoru komütatör lameli, direnç kaynağı elektrotu vb. parçalarda kullanılabilir. 

DIN 17666 da yer alan diğer alaşımlar arasında, çökelme sertleştirmesi görmüş yaklaşık %2 berilyumlu bakırdan (CuBe2) öncelikle yay imalinde yararlanılır. Sıvı bakırda 80,5 dolayında çözünebilen, ancak katılaşma sırasında ayrışarak içyapıya ayrı faz halinde dağılan tellür ise talaş kaldırmayı kolaylaştırır. Örneğin bileşiminde %0,4-0,7 Te ve %0,003-0,012 P bulunan CuTeP, elektrik iletkenliği çok yüksek, kaynak ve sert lehimlemeye elverişli bir otomat malzemesidir. 

Pirinç/er bakır-çinko alaşımlarıdır (DIN 17660). Bakıra göre dayanımlarının yüksekliği katı çözelti oluşumundan ileri gelir. 

Yaklaşık %37'den daha az çinko içeren bakır-çinko alaşımları tek fazlı olup, a-pirinci adını alırlar. Bakırın ymk kristal yapısına sahip olduklarından, a-pirinçleri her türlü plastik şekil verilmeye elverişlidirler. Sünekliği maksimum olan CuZn28 alaşımı aşırı oranda derin çekilecek parçalar için tercih edilir. En önemli uygulanma alanından ötürü kovan (kartuş) pirinci diye anılan bu malzeme, ayrıca çakmak haznesi, ruj tüpü, radyatör kapağı vb. yerlerde de kullanılır. Denge diyagramına göre a-pirinci olması gereken CuZn37'nin içyapısında, küçük miktarda bile β-fazı bulunursa soğuk şekil değiştirme kabiliyeti azalır. Pratikte bu denge dışı durum, söz konusu alaşım örneğin ara tav amacıyla a+ β alanına ısıtılmışsa, oda sıcaklığına soğutmanın yeterince yavaş yapılmaması sonucu ortaya çıkar. 

Çinko miktarı %371yi aşarsa her zaman (u+ β)-pirinci elde edilir. İçyapıda hmk β-fazının varlığı dayanım ve sertliği yükseltirken, sünekliğin de birden düşmesine yol açar. Böylece soğuk şekillendirmenin güçleşmesine karşın, talaş kaldırma kolaylaşır. Kısa talaş verme özelliğini daha da geliştirmek için pirince %2 dolayında kurşun katılabilir. Talaşlı işlenmeye elverişlilik bakımından, sadece bazı alüminyum alaşımları CuZn4OPb2’den daha üstündür. İnce mekanik, saat endüstrisi ve tornalama yoluyla seri üretimde, örneğin tükenmez kalem ucu yapımında, öncelikle kurşunlu pirinçler seçilir. 

Renk, pirincin bakır miktarı için güvenilir bir gösterge değildir. %5-15 gibi düşük çinkolu tombak alaşımlarının rengi altın kırmızısı ile altın sarısı arasında değişir. CuZn28 sarımsı yeşil, CuZn37 koyu sarıdır.%40-42 çinkolu a+β pirinçlerinin rengi ise yeniden kırmızılaşır. 

Nikel gümüşü (Alman gümüşü) bakır-nikel-çinko alaşımlarının genel adıdır. (DIN 17663). Nikelin etkisiyle gümüşe benzer bir renk alan bu malzemelerin kararmaya dayanıklılığı pirinçten daha iyidir. 

Kurşun katılmamış olanları zayıf akım röle yayları, gümüş kaplı çatal-bıçak takımları; kurşunlu türleri de optik aletler, pergel takımları gibi yerlerde kullanılır. 

Pirinç ve nikel gümüşü gerilme korozyonuna duyarlı malzemelerdir. Bulundukları ortamda örneğin yarına gazlarından gelebilecek çok az miktarda bile amonyak ve nem varsa, dış veya iç gerilmelerin belirli bir düzeye erişmesi halinde çatlayarak hasara uğrarlar. Şekillendirilmiş parçadaki iç gerilmelerin böyle bir olaya yol açıp açmayacağını saptamak için, DIN 50911'de tanımlanan cıva nitrat deneyinden yararlanılır. Gerilme korozyonu çatlamasına eğilimli parçalar 200-300°C arasında gerilme giderme tavı uygulanmalıdır. 

Yüksek oranda oksijen ve karbon dioksit içeren sular çinko miktarı %15'1 aşan pirinçler için çinkosuzlaşma tehlikesi yaratır. Noktasal veya üniform olarak ortaya çıkan bu korozyon türü, a+β pirinçlerinde daha az asal olan B fazını öncelikle etkiler.

Özel pirinçler korozyon dayanıklılığı veya diğer özellikleri ek alaşım elementleri (Ni,Sn,Al,Si,Mn) ile geliştirilmiş Cu-Zn alaşımlarıdır. Örneğin çinkosuzlaşmaya karşı %0,020 ila 0,035 arsenik katılmış CuZn20Al2 ve CuZn28Snl (gemici pirinci) alaşımları en başta gemi kondenserlerinin yapımında kullanılır. 

Dökme ve özel dökme pirinçler DIN 1709'da standartlaştırılmıştır. Bu alaşımların öncelikle a+β türünden seçilmesi, dayanımı yükseltmek yanında erime sıcaklığını düşürmek ve katılaşma aralığını küçülterek mikrosegregasyonu önlemek amacına yöneliktir. 

Bileşimlerindeki %40-43 çinko ve olası kalay, mangan katkıları nedeniyle döküm alaşımlarına benzeyen lehim pirinçleri, bakır esaslı malzemelerin (kaynağı) ve çeliklerin sert lehimlenmesi için kullanılırlar. Lehimlenecek çelikte iç gerilmelerin bulunması, erimiş pirincin tane sınırları boyunca çelik içyapısına girmesiyle, lehim kırılganlığı denilen çatlamalara yol açabilir.

Erime sıcaklıklarının çok yüksek olmamasından dolayı, bakır alaşımları sıvı veya katı yakıtlı pota ocaklarında eritilebilir. Ancak özellikle sıvı yakıtla çalışmada, yanıma gazların-dan gelerek eriyikte çözünen hidrojenin önemli miktarlara ulaşabileceği göz önünde tutulmalıdır. Fazla gaz kapmış bir eriyikte katılaşma aralığı ve yapısal aşırı soğuma ne kadar büyükse (örneğin kalay bronzları), dökülen parçada boşluk ve gözenek oluşma tehlikesi de o kadar artar. Bu gibi sorunların çözümünde elektrikli eritme ocaklarının kullanımı büyük ölçüde yardımcı olur.
 

Geleneksel bronzlar bakır-kalay alaşımlarıdır. Kalay bronzu veya çoğu kez fosforla oksit giderme işlemi gördüklerinden fosfor bronzu diye de anılırlar. Pirinçlere göre dayanım, korozyon direnci, aşınma ve kaymalı yatak özellikleri bakımından genellikle üstün, fakat daha pahalıdırlar. Cu-Sn denge diyagramının α+ẟ alanı, ẟ → α + ∈ reaksiyonunun çok yavaş gerçekleşmesi nedeniyle, uygulamada oda sıcaklığına kadar uzanır. Ayrıca aşırı geniş katılaşma aralığının yol açtığı kuvvetli mikrosegregasyon sonucu α alanı da küçülür. Buna karşın döküm veya sıcak şekil vermeden sonra yapılacak uzun süreli homojenleştirme tavı, kalay miktarı en çok % 15 dolayına kadar olan alaşımlarda denge dışı oluşmuş ẟ fazını ortadan kaldırabilir. Ancak bu ısıl işlemin, α tanelerindeki kalay ve fosfor segregasyonunu her zaman tümüyle yok edeceği sanılmamalıdır.

Yaklaşık %1,5 kalaylı bronzlar soğuk çekilmiş tel halinde telefon hava hatlarında kullanılır. Bu iletkenlerin bileşiminde fosfor bulunmamalıdır. Soğuk haddelenerek çekme dayanımları 600-700 N/mm², sertlikleri de 180-200 HV'ye yükseltilmiş olan CuSn6 ve CuSn8 bantlardan örneğin röle yayları imal edilir (DIN 1780, DIN 17670). Yumuşak bronz teller ise çoğunlukla kağıt endüstrisi için süzgeç yapımına yarar. 

Standart  dökme kalay bronzları %13'e kadar kalay içerirler (DIN 1705). Sünekliği büyük ölçüde düşüren ẟ fazını azaltmak amacıyla bu malzemeler de homojenleştirilebilir. Kalay miktarı üst sınırda olan G-CuSn12 veya G-CuSnl2Ni alaşımlarından, aşınma ve korozyona dayanıklılığı fazla olması gereken yüksek hızlı sonsuz vida dişlisi, pompa çarkı vb. makina parçaları dökülür. %20 kalaylı alaşım ise aşırı gevrekliği nedeniyle sadece çan üretimine elverişlidir. 

Bileşimlerinde alaşım elementi olarak çinko ve gerektiğinde kurşun da bulunan çok bileşenli kalay bronzları kızıl döküm diye anılırlar (DIN 1705). Örneğin G-Cusn10Zn ve G-CuSn7ZnPb alaşımları düşük hızlı sonsuz vida dişlisi, kaymalı yatak burcu gibi yerlerde kullanılır. 

Diğer bakır alaşımları arasında, bileşenlerinden ağırlıkça ikinci sırada veya daha geride olanı belirtilerek bronz adı verilenler çoğunluktadır. 

Alüminyum bronzları dayanımları yüksek, deniz suyu, sülfirik asit ve tuz çözeltilerine karşı dirençli, dövme (DIN 17665) veya dökme (DIN 1714) Cu-Al alaşımlarıdır. Ayrıca demir, nikel veya mangan katkılı olabilen türlerinden ötektoid dönüşüm gösterenler su verilerek sertleştirilebilir. Demir alaşımlarından yapıldıkları zaman, işletme sırasında kuvvetli sürtünme ve adezyondan dolayı yüzey hasarına yol açabilecek kılavuz makarası, kızak ve takımlar için en uygun malzeme alüminyum bronzudur. 

Deniz suyu korozyonuna dayanıklı olan ve ayrıca titreşim sönümleme özelliği bulunan mangan bronzları örneğin gemi pervanesi, sillsyum bronzları kimyasal cihaz parçaları, DIN1716' da yer alan kurşun-kalay bronzları da kaymalı yatak dökümünde kullanılır.
 

Bakır ve nikel periyodik cetvelde yan yana bulunan, ymk kristal yapıya sahip elementlerdir. 0,3608 nm ve 0,3516 nm olan kafes parametreleri arasındaki fark çok küçüktür. Dolayısıyla söz konusu iki metal katı durumda birbiri içinde her oranda tam olarak çözünebilir. Faz diyagramındaki bu durum, fiziksel özelliklerin bileşime bağlılık eğrisinde de süreklilik sağlar. 

Katı çözeltinin elektrik direnci çözünen elementin miktarı ile arttığı için, yaklaşık %50-50’lik bakır-nikel alaşımında en yüksek değerine ulaşır. Buna karşın direnç sıcaklık katsayısı aynı bileşim bölgesinde bir minimumdan geçer. Elektrik direnci sıcaklıkla hemen hemen sabit kalan CuNi44 alaşımına bu nedenle konstantan adı verilmiştir. Söz konusu davranış direnç alaşımları (DIN 17471) bakımından genellikle büyük önem taşır. 

Bakır-nikel sisteminde ısıl elektriksel gerilimin de sürekli değişerek, %45 dolayında nikel için maksimuma eriştiği Şekil 5.19'dan görülmektedir. Dolayısıyla CuNi44 alaşımı sıcaklık ölçmek amacıyla bakır/konstantan ve demir/konstantan ısıl çiftlerinde de kullanılır (DIN 43700). Ancak yüksek sıcaklıklarda gaz ve yalıtkan maddelerin kimyasal etkisine karşı ek alaşımlama gerektiğinden, ısıl çift konstantanı direnç olarak yararlanılandan farklı olur. 

Bileşimdeki küçük sapmalar dahi ölçülen gerilimi etkileyeceğinden, ısıl çiftlerde standarda uygunluğu kontrol edilmiş teller kullanılmalıdır. 

Platin/platin-rodyum gibi pahalı ısıl çiftlerin, teknik ölçümlerde termostat yardımıyla sıcaklığı sabit tutulan soğuk bağlantı noktasına uzatılması, daha ekonomik olarak dengeleme iletkenlerinle yapılabilir. Bunu gerçekleştirecek örneğin bakır/bakır-nikel çiftinde, alaşımlı telin nikel miktarı öngörülen ısıl elektriksel gerilime göre %3 ile %20 arasında seçilir. 
 

Nikel ile alaşımlama bakırın korozyona dayanıklılığını önemli oranda artırır (DIN 17664). Öte yandan mekanik dayanım da olumlu yönde etkilendiğinden, bakır-nikel alaşımlarının yüksek sıcaklıktaki çekme özellikleri paslanmaz çeliklerinkiyle aynı düzeydedir. %1-2 dolayında Fe ve Mn katılarak daha da kuvvetlendirilebilen kimyasal kararlılığı, ortamda yeterli oksijenin bulunmasıyla oluşan pasif tabaka sağlar. Bu malzemeler tuzlu su korozyonuna dirençli olduklarından öncelikle gemi kondenserleri, denizden tatlı su elde etme tesisleri gibi yerlerde kullanılırlar. CuNi25 alaşımının özel kullanım alanı ise madeni para üretimidir. Bakır-nikel eriyiklerinin fazla hidrojen çözündürmesi kaynak işleminde sorun yaratabilir. Kaynak ilave malzemesinin oksit giderici bile-şenleri su buharıyla karşılaşırsa, örneğin 

Ti + 2 H2O → TiO2 + 4 H 

reaksiyonuna göre meydana gelen atomsal hidrojen, kaynak banyosu tarafından absorbe edilir. Katılaşma sırasında çözünürlük birden düştüğünden, açığa çıkan büyük miktarda gaz, dikişin gözenekli olmasına yol açar. Bu olayı önlemek için kaynak ortamındaki nemin giderilmesi zorunludur.