Bakır Üretimi ve Alaşımları

Bakır, alaşımlı ve alaşımsız çok geniş yelpazede kullanılan bir metaldir. Özellikle elektrik iletkenliğinin yüksek değerlerde olması bakıra elektrik-elektronik sanayinde önemli bir yer edindirmiştir. Korozyon direnci, kolay fabrikasyon, yeterli çekme dayanımı, tavlama, genel lehimleme v.b. özellikler bakıra metalurji sanayinin vazgeçilmezi haline getirmiştir.

Üretimi: Genel anlamda iki tür üretim sistemi mevcuttur. Bakır, doğrudan cevherden yahut hurdaların tekrar ergitilip alaşımlandırılmasıyla elde edilir. Bakır cevherlerinin çok büyük bir kısmı sülfit şeklinde bulunmaktadır.

Sülfit konsantreleri, kükürtlü mat elde etmek için fırında ergitilir. Ergitme sırasında fırın içine hava üflenir. Havanın içindeki O₂ ile ergiyikteki empürite (düzeni bozan atom) elementleri reaksiyon vererek cürufu meydana getirir:

Fe + 1/2  O₂ → FeO
2 Al + 3/2 O_{2 →} Al₂O₃
Mg + 1/2 O₂ → MgO
1/2 S₂ + O₂  → SO₂

Açığa çıkan cüruf fırından alınır. Kalan kükürtlü mattır. Bu kükürtlü mat içinde bakır da hava içindeki O₂ ile reaksiyona girer:

Cu₂S + O₂  → 2 Cu + SO₂

Bu sırada açığa çıkan Cu’ın bir kısmı da oksitlenir:

2 Cu + 1/2 O₂ → Cu₂O

Bu işlemlerden sonra fırın içinde sıvı ergiyikte yaklaşık %98 Cu %2 empürite mevcuttur. Bu bakıra blister bakır denir. Blister bakır buradan alınarak döküm fırınında ateşe atılır. Empüriteler tekrar oksitlenir ve cüruf olarak ergiyikten alınır. Bakır da oksitlenebileceğinden oksitlenen bakırı geri kazanmak için indirgeme yapılır:

Cu₂O + C → 2 Cu + CO

Cu₂O oranı %0,5’e düştüğünde üfleme ve reaksiyonlar durdurulur. Bakır artık %99 safiyettedir. Bu bakır, sert bakır olarak adlandırılır. %99,95’lere kadar saflaştırılabilen bakır daha da saflaştırma için elekrolitik arındırmaya gönderilir.

Son olarak bakır tekrar ergitilir, ingotlara ya da fabrikasyon için, tel çubuklar ya da lamalar olarak dökülür. Oksijensiz yüksek iletken bakır, oksidasyonu önlemek için indirgeyici bir atmosfer altında katot bakırın dökümü ile üretilir.

Bakır Alaşımları

A) Dövme Alaşımlar

C1XX : Bakırlar ve yüksek bakır alaşımları. (min. %99,3 Cu )
C2XX: Cu-Zn Alaşımları ( Pirinç )
C3XX: Cu-Zn-Pb alaşımları ( Kurşun Pirinçler )
C4XX: Cu-Zn-Sn alaşımları ( Fosfor Bronzu )
C5XX: Cu-Sn alaşımları ( Fosfor Bronzu )
C6XX: Cu-Al alaşımları ( Alüminyum Bronzu ), Cu-Si alaşımları ( Silisyum Bronzu )
C7XX: Cu-Ni ve Cu-Ni-Zn alaşımları ( Nikel Gümişleri )

B) Döküm Alaşımları

C8XX: Döküm bakırlar, döküm yüksek bakır alaşımları, döküm pirincinin çeşitli tipleri, döküm mangan-bronz alaşımları ve döküm bakır çinko silisyum alaşımları.
C9XX: Döküm Cu-Zn-Sn alaşımları, Cu-Sn-Pb alaşımları, Cu-Sn-Ni alaşımları, Cu-Al-Fe alaşımları, Cu-Ni-Fe alaşımları, Cu-Ni-Zn alaşımları.

PİRİNÇLER

Genel anlamda Cu-Zn alaşımlarına Pirinç adı verilir. Mukavemet ve korozyon dayanımı oldukça yüksektir. Bu özellikler Zn miktarı ile orantılıdır. Derin çekilmeye, sıcak ve soğuk işlemeye, sıcak dövülmeye ve preslemeye oldukça uygundur.

İki gruba ayrılır:
1) %61’den fazla Cu içeren α alaşımları
2) %54-61 Cu içeren β alaşımları

α – Pirinçler

Kızıl Pirinçler: %5-20 Zn içeren pirinçlerdir. Korozyon direnci çok iyi olup çinkosuzlaşma ve gerilmeli korozyona karşı dayanıklıdır.

70/30: Üstün işleme özelliğinden dolayı kovan pirinci olarak da bilinir. Alaşımın Fe, Pb, Bi v.b. içermemesi gerekir. Soğuk haddeleme sonrası tavlama tane yapısını iyileştirir. Tavlama sıcaklığı 600-650 °C’dir.

85/15: Derin sıvanmış kaplar, mermi kovanı ve ucuz mücevherat yapımında kullanılırlar.

β – Pirinçler

60/40: Üstün özelliklere sahip pirinçtir. α+ β kristallerinden oluşur. Muntz olarak da bilinir.

Kurşunlu Pirinç: Kurşun ilavesi pirincin işlenebilirliğini kolaylaştırır. Sıcak şekillendirme için %56-61 Cu, %1,5-3,5 Pb ve kalan kısmı Zn’dan oluşan alaşımlar kullanılır. Mukavemet olarak Muntz’a yakın değerlere sahiptir.

BRONZLAR

Kalay Bronzu: Esas olarak Sn içeren Cu alaşımlarıdır. Kalay bronzu, çoğunlukla fosfor ile -deokside edildiğinden fosfor bronzu olarak da anılır. %87 Cu – %13 Sn alaşımı haddelemeye ve soğuk prese uygundur. α fazında bulunur. α+ β alaşımları %78-87 Cu – %13-22 Sn içerir.

Atmosferik korozyona ve su korozyonuna dayanıklıdır. Aşınmaya karşı dirençli ve mükemmel yağlama kabiliyetleri vardır. Sn miktarının artması mukavemeti arttırır.

Alüminyum Bronzlar: %14’e kadar Al ihtiva eden Cu alaşımlarıdır. Üstün sertlik gösterirler. (40- 42 HRC ) Aşınma dayanımları yüksek olduğundan kalıpçılıkta ve makine imalatında kullanılırlar.

α Alaşımları: %8’den az Al içerirler.

İki Fazlı Alaşımlar: %8-11 Al içerir. Yüksek mukavemet için Fe ve Ni katılır. Β fazı oluşumu sonucu mukavemeti artar.

Cu-Al-Si Alaşımları: % 2 Si – % 6 Al içerir. Al-Si bronzları olarak da bilinir.

Cu-Mn-Al Alaşımları: İyi döküm özelliği gösterirler. %13 Mn bulundurur. Al miktarı %8-9’dur. Kaynak edilebilme özelliği iyidir.

Alaşım Elementlerinin Bakır’a Etkisi

Mukavemet Arttırıcılar: Cr, Si, Sn, P, Fe, Zn, Zr, Co, Be, Mn, Ni, Al.
Korozyon Dayanımı Arttırıcılar: Ni, As, Al, Fe, Sn, Si, Mn.
Aşınma Dayanımı Arttırıcı: Al, As, Ag, Cd, Sn, Be, Co.
İşlenebilirliği Arttırıcılar: Te, Pb, S, Zn.
Renk Değiştiriciler: Zn, Sn, Ni.

Hamdi Ekici
İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Kaynakça:

1. Mühendislik Alaşımlarının Yapı ve Özellikleri Cilt-2 W.F. Smith (çev:M. Erdoğan) 2001
2. Bakır Alaşımları El Kitabı H. Koçak 2006
3. After A.G. Guy, ‘’Elements of Physical Metallurg, ‘’Zd ed, 1959. Addison-Wesley, Reading, Mass., fig 2-10, p.26.
4. data.obitet.net/obitet/malzeme_bilgisi/bakir_ve_alasimleri.htm