Bakır ve Bakır Alaşımları: Pirinç, Bronz ve Diğerleri

Evinizdeki elektrik kablolarının içinde, kombinin ısı eşanjöründe, musluk bataryasında, bir geminin pervanesinde ve cebinizdeki bozuk paralarda ortak bir malzeme vardır: bakır. Bakır, saf haliyle elektrik ve ısı iletiminde rakipsizdir. Çinkoyla birleştiğinde pirinç, kalayla birleştiğinde bronz olur. Alüminyum, nikel ya da kurşunla birleştiğinde ise her biri farklı bir göreve uygun yeni bir malzemeye dönüşür.

Bu yazıda demir dışı metallerin genel özelliklerini, bakırın özelliklerini ve işlenmesini, pirinç ve bronz arasındaki farkı ve makine yapımında kullanılan bakır alaşımlarını ele alıyoruz.

Demir Dışı Metaller Nedir?

Demir dışındaki bütün saf metaller ve içinde en büyük payı demirin oluşturmadığı bütün alaşımlar demir dışı metaller olarak adlandırılır. Bu metaller yoğunluklarına göre iki gruba ayrılır:

• Ağır metaller: Bakır, nikel, çinko, kurşun, kalay ve alaşımları. Ayrıca volfram ve krom gibi alaşım metalleri ile altın, gümüş ve platin gibi asil (soy) metaller
• Hafif metaller: Alüminyum, magnezyum ve titanyum gibi

Makine yapımında en çok kullanılan demir dışı ağır metaller bakır, nikel, çinko, kurşun ve kalay ile bunların alaşımlarıdır.

Saf Metal mi, Alaşım mı?

Saf metaller genellikle yumuşaktır ve alaşımlarına göre daha düşük dayanıma sahiptir. Saflık derecesi arttıkça elektrik iletkenliği ve şekillendirilebilirlik iyileşir.

Saf metallerin özelliklerini değiştirmek için alaşım yapılır. Alaşım yapmak için iki ya da daha fazla metal sıvı halde karıştırılır. Alaşımlamanın genel etkileri şunlardır:

Özellik	Alaşımlamanın etkisi
Sertlik ve dayanım	Artar
Süneklik (şekil değiştirme kabiliyeti)	Azalır
Elektrik iletkenliği	Azalır
Talaş şekli	Kısa ve kırılgan talaş oluşur
Ergime sıcaklığı	Genellikle esas metalden daha düşüktür

Döküm Alaşımları ve Yoğurma Alaşımları

Demir dışı metal alaşımları kullanım şekline göre ikiye ayrılır:

• Döküm alaşımları: İyi döküm özelliklerine sahiptir ve döküm parçaların üretiminde kullanılır.
• Yoğurma (dövme) alaşımları: Soğuk ya da sıcak olarak talaşsız şekillendirilir. Bunlardan çubuk, sac, boru, tel ve profil üretilir.

Bakır (Cu)

Bakırın Özellikleri

Özellik	Değer
Yoğunluk	8,93 kg/dm³
Ergime sıcaklığı	1083 °C
Çekme dayanımı	Sıcak haddelenmiş: 200–300 N/mm². Soğuk şekillendirilmiş: 600 N/mm²’ye kadar
Kopma uzaması	%35–50. Soğuk şekillendirilmiş halde %2’ye kadar düşer

Saf bakır yumuşaktır ve kolayca şekil değiştirir. Elektrik ve ısı iletkenliği, metaller arasında gümüşten sonra en yüksek olanıdır.

Bakır, atmosferik etkilere karşı korozyona dayanıklıdır. Açık havada yüzeyinde bakır karbonattan oluşan ince, kahverengimsi yeşil bir koruyucu tabaka (patina) oluşur. Eski bina kubbelerinin ve bakır çatıların yeşil rengi bu tabakadan gelir.

Bakır Nasıl İşlenir?

Döküm: Bakır her türlü döküm yöntemiyle dökülebilir. Döküm sırasındaki büzülme payı %1,8–2,2 arasındadır.

Sıcak şekillendirme: Dökülmüş plakalar ya da bloklar 800–950 °C arasında:

• Haddelenerek saca dönüştürülür.
• Ekstrüzyon ile çubuk, profil ve dikişsiz boru haline getirilir.

Soğuk şekillendirme:

• Saclar, 0,01 mm kalınlığa kadar folyo haline getirilecek şekilde haddelenebilir.
• Çubuklar çekilerek 0,02 mm çapa kadar tel üretilebilir.

Talaşlı işleme: Bakır işlenirken yığıntı talaş oluşturmaya eğilimlidir ve uzun, helisel, karışık talaşlar verir. Bunu önlemek için:

• Büyük talaş açılı ve keskin ağızlı takımlar kullanılır.
• Bakıra az miktarda tellür, kükürt ya da kurşun katılarak talaşın kırılması kolaylaştırılır.
• Soğutma için kesme yağları ve emülsiyonlar kullanılır.

Kaynak ve lehim: Kaynak yapılacak ya da lehimlenecek parçalar için özellikle oksijensiz bakır türleri uygundur.

Bakırın Kullanım Alanları

Kablolar, sargılar, baralar. Lehim havyası uçları, Isı eşanjörleri, ısıtıcı ve soğutucu boru demetleri, Çatı kaplamaları, Sanatsal eşyalar. Her şeyden önce alaşımların esas metali olarak bakır sıkça tercih edilen bir metaldir.

Bakır Türlerinin Gösterimi

Saf metaller genellikle kimyasal sembol ve saflık yüzdesiyle gösterilir.
Örneğin Zn 99,99, %99,99 saflıkta çinkodur. Bakırda ise eski DIN gösteriminde özel kısaltmalar kullanılır:

Gösterim	Anlamı
A-Cu … F-Cu	Saflık derecesi. F-Cu, A-Cu’dan daha saftır
E-Cu	Elektrolitik bakır. Değerlendirmede yalnızca elektrik iletkenliği esas alınır
SF-Cu	Oksijensiz (fosforla oksijeni giderilmiş) bakır, %99,9 saflıkta. Kaynak ve lehim için uygundur

Güncel Avrupa standartlarında (EN) bu bakır türleri Cu-ETP (elektrolitik bakır) ve Cu-DHP (fosforla oksijeni giderilmiş bakır) gibi kısaltmalarla gösterilir.

Bakır Alaşımlarının Gösterimi

Bakır alaşımları, esas metale ve bir ya da iki alaşım metaline göre adlandırılır. Örneğin bakır-çinko alaşımı ya da bakır-nikel-çinko alaşımı.

Kısa gösterimde:

• Önce esas metalin kimyasal sembolü yazılır (Cu). Esas metalin yüzdesi genellikle yazılmaz.
• Ardından alaşım elementlerinin sembolleri ve yüzde oranları gelir.
• Gerekirse sonuna dayanım ya da işlem durumu eklenir.

Örnek: CuAl8Fe3 F45
Cu: Esas metal bakır (yaklaşık %89)
Al8: %8 alüminyum
Fe3: %3 demir
F45: Çekme dayanımı yaklaşık 450 N/mm²

Döküm alaşımlarında gösterimin başına üretim yöntemini belirten harfler eklenir:

Ön ek	Anlamı
G-	Döküm (genel), kum kalıba döküm
GD-	Basınçlı döküm
GK-	Kokil döküm
GZ-	Santrifüj (savurma) döküm
GC-	Sürekli döküm

Örneğin G-CuZn35, %35 çinkolu bakır döküm alaşımıdır. Yoğurma alaşımlarında bu ön ek kullanılmaz.

Güncel EN standartlarında bakır alaşımları ayrıca harf ve rakamlardan oluşan malzeme numaralarıyla da gösterilir. Yoğurma alaşımlarının numaraları CW, döküm alaşımlarının numaraları CC ile başlar.

Pirinç (Bakır-Çinko Alaşımları)

Pirinç, bakır ile çinkonun alaşımıdır ve en yaygın kullanılan demir dışı ağır metal alaşımıdır. Pirinçte bakır oranı en az %50 olmalıdır. Bakır oranı bunun altına düşerse alaşım teknik olarak kullanılamayacak kadar gevrek olur.

Pirincin altın sarısı rengi, iyi parlatılabilmesi ve korozyona dayanıklılığı, onu dekoratif amaçlar için de ideal bir malzeme yapar.

Çinko Oranının Pirince Etkisi

Pirincin özellikleri büyük ölçüde çinko oranına bağlıdır:

• Yaklaşık %30 çinkolu pirinç en iyi şekillendirme kabiliyetine sahiptir. Bu oranda kopma uzaması en yüksek değerine ulaşırken, sertlik ve çekme dayanımı da yeterli düzeyde kalır. Derin çekme ve soğuk şekillendirme için idealdir.
• %37’nin üzerinde çinko içeren pirinçler daha çok talaşlı işleme ile şekillendirilir.

Çinko oranı arttıkça pirincin çekme dayanımı ve sertliği genel olarak artar. Kopma uzaması ise yaklaşık %30 Zn civarında maksimuma ulaşır, ardından β fazının etkisiyle azalır.

Döküm Pirinç

Döküm pirinç her türlü döküm yöntemiyle üretilebilir:

Çekme dayanımı: Bileşime göre 200–800 N/mm²
Kopma uzaması: %4–35
Döküm parçalar çok iyi talaşlı işlenir.

Kum kalıba dökülen parçaların (örneğin G-CuZn35) yüzeyi gri-kahverengi görünür. Kokil ve basınçlı döküm parçalarının yüzeyi ise parlak metalik görünümdedir.

Yoğurma Pirinç ve Soğuk Sertleşme

Yoğurma pirinçlerinde (örneğin CuZn37), soğuk şekillendirme derecesi artırılarak dayanım ve sertlik önemli ölçüde yükseltilir. Bu sırada kopma uzaması azalır. Bu yüzden pirinç sac ve çubuklar farklı sertlik durumlarında satılır:

Yumuşak → Yarı sert → Sert → Çekme sertliği → Yay sertliği

Yay sertliğindeki pirinç en yüksek dayanıma, yumuşak pirinç ise en yüksek şekillendirme kabiliyetine sahiptir.

Otomat Pirinci (Kurşunlu Pirinç)

Pirince %3,5’e kadar kurşun katıldığında talaşlı işlenebilirlik önemli ölçüde iyileşir. Kurşun talaşın kısa kırılmasını sağlar. Bu yüzden kurşunlu pirinçler otomat tezgahlarında seri üretim için idealdir ve otomat pirinci olarak adlandırılır.

Örnekler: CuZn39Pb3, CuZn38Pb1,5

Özel Pirinçler

Pirince alüminyum, demir, nikel, mangan, kalay ve silisyum gibi elementler katılarak elde edilen alaşımlar, bileşimlerine göre: Çekme dayanımı yüksek, Aşınmaya dayanıklı, Korozyona dayanıklı malzemelerdir.

Pirincin Kullanım Alanları

Pirinç türü	Kullanım alanı
Genel pirinçler	Hassas mekanik, saat endüstrisi, elektrik endüstrisi, vana ve armatürler
Otomat pirinci (CuZn39Pb3)	Otomat tezgahlarında üretilen seri parçalar (rakor, somun, pim)
Alüminyumlu ve silisyumlu pirinç (CuZn40Al2, CuZn31Si)	Yatak malzemesi
Nikelli ve alüminyumlu pirinç (CuZn35Ni, CuZn20Al)	Gemi yapımı. Deniz suyuna karşı korozyona dayanıklıdır

Bronz (Bakır-Kalay ve Diğer Bakır Alaşımları)

Gündelik dilde çinko dışındaki elementlerle yapılan bakır alaşımlarına genel olarak bronz denir. Bunların en bilineni kalay bronzudur.

Kalay Bronzu (Bakır-Kalay Alaşımları)

Kalay bronzları %83–98 bakır ve %2–15 kalay içerir. Bazılarında ayrıca çinko, kurşun ve nikel de bulunur. Çekmeye ve aşınmaya karşı dayanıklıdır. Korozyona karşı pirinçten daha dayanıklıdır. Kayma özellikleri iyidir.

Kızıl döküm: Bakır-kalay-çinko döküm alaşımlarına kızıl döküm denir. Kızıl döküm ve kalay bronzu döküm alaşımları, iyi kayma özellikleri sayesinde, Yatak burçları, Mil somunları, Sonsuz vida dişlileri ve helisel dişli çarklar gibi parçalar için çok uygundur:

CuSn8P fosforlu kalay bronzundan yapılan kaymalı yataklar, yüksek yüzey basınçlarına dayanabilir.

Bakır-Kurşun ve Bakır-Kurşun-Kalay Alaşımları

Bu alaşımlar çok iyi kayma özelliklerine sahiptir. Kurşun, yatak malzemesine iyi bir yağlayıcılık ve uyum özelliği kazandırır. Bu yüzden makine ve taşıt yapımında kaymalı yatak üretiminde tercih edilen malzemelerdir.

Alüminyum Bronzu (Bakır-Alüminyum Alaşımları)

Alüminyum bronzları: Yüksek çekme dayanımına, büyük tokluğa, iyi korozyon dayanımına sahiptir.

CuAl8 gibi alaşımlar kimya endüstrisinde ve madencilikte armatürler için kullanılır. Alaşıma az miktarda demir, nikel ve mangan katıldığında çekme dayanımı 850 N/mm²’nin üzerine çıkar. Bu yüzden en ağır koşullar için:

• CuAl11Ni alaşımından helisel dişliler, sonsuz vida dişlileri ve kaymalı yataklar yapılır.
• Manganlı alüminyum bronzu döküm alaşımları, yüksek korozyon ve deniz suyu dayanımı nedeniyle gemi pervaneleri, türbin kanatları ve petrol endüstrisindeki armatürler için uygundur.

Bakır-Nikel Alaşımları

Bakır-nikel alaşımları, korozyona en dayanıklı bakır malzemeleridir. Gümüş gibi parlak yüzeyleri nedeniyle metal vazo ve sofra takımı gibi dekoratif eşyalarda kullanılır.

CuNi25 alaşımı, uzun süre tedavülde kaldıktan sonra bile açık gümüş rengini koruduğu için madeni para malzemesi olarak kullanılır. Bu alaşımın sertliği, şekil ve ölçü kararlılığı, paralardaki en ince kabartmaların bile keskin şekilde basılmasını sağlar.

Diğer kullanım alanları:

• Bina ve gemi yapımında kaplama elemanları
• Elektroteknikte direnç telleri
• Kimyasal tesislerde, ince bakır-nikel tabakasıyla kaplanmış çelik saclar

Bakır Alaşımlarının Karşılaştırılması

Alaşım	Ana bileşim	Öne çıkan özellik	Tipik kullanım
Saf bakır	%99,9+ Cu	En iyi iletkenlik	Kablolar, eşanjörler, çatı
Pirinç	Cu + Zn (en az %50 Cu)	Kolay işlenir, dekoratif	Armatürler, vanalar, saat ve elektrik parçaları
Otomat pirinci	Cu + Zn + ≤%3,5 Pb	Mükemmel talaşlı işlenebilirlik	Otomat tezgahı seri parçaları
Kalay bronzu	Cu + %2–15 Sn	Aşınma ve korozyon dayanımı, iyi kayma	Yatak burçları, sonsuz vida dişlileri
Kızıl döküm	Cu + Sn + Zn	İyi kayma, kolay döküm	Yataklar, mil somunları
Bakır-kurşun	Cu + Pb (+ Sn)	Çok iyi kayma	Motor ve makine kaymalı yatakları
Alüminyum bronzu	Cu + Al (+ Fe, Ni, Mn)	Yüksek dayanım, deniz suyu dayanımı	Pervaneler, ağır yüklü dişliler
Bakır-nikel	Cu + Ni	En yüksek korozyon dayanımı, gümüş renk	Madeni para, direnç teli, kaplama

Pirinç ve Bronz Arasındaki Fark

	Pirinç	Bronz
Ana alaşım elementi	Çinko	Kalay (ya da alüminyum, kurşun gibi diğer elementler)
Renk	Altın sarısı	Kızılımsı kahverengi
Korozyon dayanımı	İyi	Daha iyi
Kayma özelliği	Orta	Çok iyi
İşlenebilirlik	Çok iyi, özellikle kurşunlu türleri	İyi
Tipik kullanım	Armatür, vana, dekoratif parçalar	Yatak burçları, dişliler, pervaneler

Sonuç

Bakır, gümüşten sonra en iyi elektrik ve ısı iletkeni olan, korozyona dayanıklı ve kolay şekillendirilebilen bir metaldir. Saf haliyle elektrik ve ısı uygulamalarında, alaşımlarıyla ise makine yapımının pek çok alanında kullanılır.

Pirinç (bakır-çinko), kolay işlenebilirliği ve dekoratif görünümüyle armatürlerde, vanalarda ve hassas parçalarda tercih edilir. Kurşun katılmış otomat pirinci seri talaşlı üretimin vazgeçilmez malzemesidir. Bronzlar ise iyi kayma ve aşınma özellikleri sayesinde yatak burçlarında ve dişlilerde öne çıkar. Alüminyum bronzu deniz suyuna dayanıklılığıyla gemi pervanelerinde, bakır-nikel alaşımları ise korozyon dayanımı ve gümüş rengiyle madeni paralarda kullanılır.

Sıkça Sorulan Sorular