Bakır endüstrisi bilgisi: Yüksek performanslı bakır bazlı kompozit malzemelere giriş
Bakır ve bakır alaşımları iyi mekanik özelliklere ve mükemmel işlem performansına sahiptir. Dökümü ve plastik işlemi kolaydır. Daha da önemlisi, bakır ve bakır alaşımları iyi korozyon direncine, ısıl iletkenliğe ve elektrik iletkenliğine sahiptir, bu nedenle elektronik ve elektrik, mekanik üretim ve diğer endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılabilirler. Ancak, bakırın oda sıcaklığı mukavemeti, yüksek sıcaklık performansı ve aşınma performansı yetersizdir ve bu da daha geniş uygulamasını sınırlar. Modern havacılık ve elektronik teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte, bakırın kullanımı için daha fazla ve daha yüksek gereksinimler ortaya konmaktadır, yani bakırın iyi elektrik iletkenliğini, ısıl iletkenliğini ve diğer fiziksel özelliklerini sağlama temelinde, bakırın yüksek mukavemete, özellikle iyi yüksek sıcaklık mekanik özelliklerine sahip olması ve malzemenin düşük termal genleşme katsayısına ve iyi sürtünme ve aşınma performansına sahip olması gerekmektedir. Ülkemin ilk yüksek hızlı demir yolu Pekin-Şanghay hattının toplam yatırımı yaklaşık 20 milyar ABD dolarıdır. İnşaat 2008 yılında başlamıştır. Kontak teline olan yıllık talep yaklaşık 10,000 tondur. Açıkçası, temas telinin araştırma ve geliştirilmesi, yani yüksek mukavemetli, yüksek iletkenlikli ve yüksek aşınma dirençli bakır alaşımlı fonksiyonel malzemelerin araştırma ve geliştirilmesi, büyük bir iç ve dış pazara sahiptir. Direnç kaynak elektrotları, dikiş kaynak silindirleri ve entegre devre kurşun çerçeveleri de yüksek mukavemetli ve yüksek iletkenlikli bakır alaşımları gerektirir. Mevcut bakır ve bakır alaşımlarının yüksek mukavemetini ve yüksek iletkenliğini hesaba katmak zordur. Bu nedenle, uygun takviye fazı kompozit güçlendirme yöntemlerini tanıtarak, matris ve fonksiyonel güçlendirme fazının sinerjik etkisine tam anlamıyla yer vererek, yüksek performanslı bakır (alaşım) bazlı fonksiyonel kompozit malzemelerin araştırma ve geliştirilmesi bugün dünyada sıcak bir konu haline gelmiştir.
Sözde yüksek mukavemetli ve yüksek iletkenliğe sahip bakır alaşımı, genellikle saf bakırın (350-2000MPa) 2-10 katı çekme mukavemetine (Gb) ve bakırın %50~%95'i iletkenliğe sahip bir bakır alaşımını ifade eder, yani 50-95% IACS bakır alaşımı. Uluslararası olarak tanınan ideal endeks δb=600-800MPa'dır ve iletkenlik %80 IACSE'ye eşit veya daha büyüktür. Yüksek mukavemetli ve yüksek iletkenliğe sahip bakır alaşımlarının başlıca uygulama alanları, elektronik bilgi endüstrisinde ultra büyük ölçekli entegre devre iletken çerçeveleri, ulusal savunma ve askeri endüstri için elektronik karşı önlemler, radarlar, yüksek güçlü askeri mikrodalga tüpleri, yüksek darbeli manyetik alan iletkenleri, nükleer ekipman ve fırlatma araçları, yüksek hızlı demir yolu taşımacılığı için havai hatlar, 300-1250Kw yüksek güçlü frekans modülasyonlu hız düzenleyici asenkron çekiş motor çubukları ve uç halkaları, otomotiv endüstrisi için direnç kaynak elektrot kafaları, metalurji endüstrisi için sürekli döküm makinesi kristalizatörleri, elektrik mühendisliği için elektrikli vakum cihazları ve anahtar kontak köprüleri vb. Bu nedenle, bu tür malzemelerin birçok yüksek teknoloji alanında geniş uygulama beklentileri vardır.
Yüksek performanslı bakır esaslı kompozit malzemelerin sınıflandırılmasına giriş:
1. Parçacık takviyeli bakır bazlı kompozit malzemeler
Takviye esas olarak silisyum karbür ve alüminyum oksittir ve ayrıca az miktarda titanyum oksit ve titanyum borür parçacıkları da vardır (parçacık boyutu genellikle yaklaşık 10μm'dir). Bıyıklar yalnızca kendi başlarına üstün mekanik özelliklere sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda belirli bir en boy oranına da sahiptir, bu nedenle metal matris üzerinde parçacıklardan daha önemli bir takviye etkisine sahiptirler. Bıyıklar genellikle silisyum karbür ve alüminyum borat bıyıklarıdır. Alaşımlama işlemi oksit dispersiyonla güçlendirilmiş ve karbür dispersiyonla güçlendirilmiş bakır bazlı kompozit malzemeler hazırlayabilir.
2. Elyaf takviyeli bakır bazlı kompozit malzemeler
Bakır veya bakır alaşımları ile metal olmayan veya metal liflerden yapılan kompozitler, bakırın yüksek elektrik iletkenliğini ve ısıl iletkenliğini korumakla kalmaz, aynı zamanda yüksek mukavemete ve yüksek sıcaklık direncine de sahiptir. Bu tür bakır esaslı kompozit malzemeler üretilirken hem uzun lifler hem de kısa lifler kullanılır. Karbon fiber-bakır kompozit malzemeler, bakırın iyi ısıl iletkenliği ve elektrik iletkenliğinin yanı sıra kendi kendini yağlama, aşınma direnci ve karbon fiberin düşük termal genleşme katsayısı özelliklerine sahiptir, bu nedenle sürgülü elektrik temas malzemelerinde, fırçalarda, güç yarı iletken destek elektrotlarında, entegre devre ısı emicilerinde vb. kullanılırlar. Bakır-karbon fiber kompozit malzemelerin endüstriyel üretimdeki bir başka uygulama örneği, tramvayların elektrikli pantografındaki kaydırıcı ve kaydırıcı tramvayların ve elektrikli lokomotiflerin hassas kısımlarıdır. İlk başta metal kaydırıcılar kullanılmış ve günümüzde karbon kaydırıcılar kullanılmaktadır, ancak her ikisinin de eksiklikleri vardır. Karbon fiber-bakır kompozit malzemeler kullanıldıktan sonra temas direnci azalır, aşırı ısınma önlenir, mukavemet ve aşırı yük akımı aynı anda iyileştirilir ve mükemmel yağlama ve aşınma direncine sahip olur.
3. Yüksek performanslı mikro kompozit bakır alaşımı
Yüksek performanslı mikro kompozit bakır alaşımlı malzemeler, 1970'lerde süperiletken malzemeler incelenirken keşfedildi. 1978'de, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Harvard Üniversitesi'nden Bark ve arkadaşları, ilk olarak yüksek performanslı Cu-X alaşımı, Cu-X ikili alaşımı, X refrakter metaller W, Mo, Nb, Ta ve Cr, Fe, V ve diğer elementleri içerir konseptini önerdiler. Dövme, çekme veya haddeleme işleminden sonra, X metali, bir mikro kompozit malzeme oluşturmak için tel veya şerit şeklinde deformasyon yönünde dağıtılır. Bu mikro kompozit bakır alaşımlı malzeme, ultra yüksek mukavemet (en yüksek çekme mukavemeti 2000MPa'dan fazlasına ulaşabilir), elektriksel iletkenlik %82 IACS'ye ulaşabilir, iyi ısı direnci, mikro kompozit yapı ve tane yönelimi ile karakterize edilir. Nokta kaynak elektrotları olarak kullanılmasının yanı sıra, bu malzeme bir pervane ve ısı değiştirici olarak da kullanılabilir. Geleneksel bakır alaşımlı malzemelerle karşılaştırıldığında, daha fazla toplam alaşım elementi, ancak daha az alaşım elementi türü içerir. Cu-X alaşımı, ultra yüksek mukavemeti, yüksek elektrik iletkenliği ve iyi ısı direnciyle insanların dikkatini çekmiştir. Şu anda, Iowa Üniversitesi, Harvard Üniversitesi Malzeme Bölümü, AMES Laboratuvarı, Michigan Teknoloji Enstitüsü ve Çin'deki Zhejiang Üniversitesi bu konuda çok sayıda araştırma yapmıştır, ancak hala çözülmesi gereken birçok teorik ve pratik uygulama sorunu bulunmaktadır.
Yüksek mukavemetli ve yüksek iletkenliğe sahip bakır esaslı kompozit malzemelerin hazırlanma yöntemlerine giriş:
1. Toz metalurjisi yöntemi
Toz metalurjisi ilk olarak, genellikle toz karıştırma, sıkıştırma, gaz giderme, sinterleme ve diğer işlemleri içeren parçacık takviyeli metal bazlı kompozit malzemelerin hazırlanması için geliştirilmiştir. Toz metalurjisi, organizasyonel ve bileşen ayrışmasını ortadan kaldırabilen, yüksek malzeme kullanımına sahip, neredeyse net bir şekillendirme işlemidir ve parçacık takviye fazının parçacık boyutu ve hacim kesri geniş bir aralıkta ayarlanabilir. Bu yöntem, bakır bazlı kompozitlerde yapısal parçalar, sürtünme malzemeleri ve yüksek iletkenliğe sahip malzemeler üretmenin ana yoludur. Bakırın ve çoğu seramik takviye partikülünün zayıf ıslanabilirliği ve yoğunluktaki büyük fark nedeniyle, sıvı yöntemi ile kompozit malzemeler hazırlanırken takviye agregasyonu üretmek kolaydır ve bu da ikinci fazın eşit olmayan dağılımına neden olur. Toz metalurjisi, metal tozunu ve takviyeyi gereken oranda eşit şekilde karıştırarak takviye dağılımı sorununu çözebilir. Bakır ve takviye parçacıkları arasındaki arayüz bağlanma mukavemetini artırmak için, kimyasal biriktirme ve diğer yöntemler genellikle takviye parçacıklarının yüzeyini Cu ve Ni gibi metal kaplamalarla kaplamak için kullanılır ve daha sonra parçacıklar toz metalurjisi kullanılarak kompozit malzemeler elde etmek için bakır tozu ile eşit şekilde karıştırılır [11]. Takviye parçacıkları metal kaplamalarla kaplandıktan sonra matris metalde daha eşit bir şekilde dağıldığından, takviye malzemeleri arasındaki doğrudan temas azalır ve takviye etkisi daha etkili bir şekilde uygulanır. Aynı zamanda, farklı metallerle kaplayarak arayüz yapısı iyileştirilebilir, arayüz bağlanma mukavemeti artırılabilir ve kompozit malzemenin kapsamlı performansı iyileştirilebilir.
2. Kompozit döküm yöntemi
Döküm, endüstriyel seri üretim için tercih edilen yöntemdir. Ancak, dökümden sonra, bu kompozit malzeme için genellikle yardımcı bir deformasyon işlemi vardır. Soğuk deforme olmuş metalin yeniden kristalleşmesi nedeniyle deformasyon güçlendirme etkisi geçersiz olacaktır. Çoğu metalin yeniden kristalleşme sıcaklığı, erime noktalarının yalnızca yaklaşık %40'ı olduğundan, dökümle elde edilen malzemenin yüksek sıcaklık direnci nispeten zayıftır. Kompozit döküm işlemi, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden MC Flemings ve arkadaşları tarafından önerilmiştir. Bu yöntem, takviye fazının ayrılmasına iyi bir çözüm, basit bir üretim süreci ve büyük ölçekli endüstriyel kompozit malzeme üretimi eğilimine uyum sağlayarak büyük geliştirme avantajlarına sahiptir. Ancak, eriyiğin yüksek viskozitesi nedeniyle, kompozit döküm gaz ve kapanımların boşaltılmasına elverişli değildir, bu nedenle hazırlanan malzemede genellikle gözenekler ve kapanımlar bulunur; ayrıca, bu yöntemle sıcaklığın kontrol edilmesi de zordur.
3. İç oksidasyon yöntemi
İç oksidasyon yöntemi, bakır bazlı kompozit malzemeleri hazırlamak için en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir. Düzgün dağılmış ince dağılmış parçacıklar elde edebilir ve güçlendirme fazlarının sayısını doğru bir şekilde kontrol edebilir. Bu işlemin tipik uygulaması, Cu-A1203 dispersiyonla güçlendirilmiş bakır bazlı kompozit malzemeler hazırlamaktır. Bu işlemde, bakırda katı olarak çözünen ancak bakırdan daha fazla oksit oluşturma eğilimi olan bir alaşım elementi olan az miktarda alüminyum, bakır-alüminyum alaşım tozu yapmak için bakıra eklenir. Oksijen, tozun yüzeyinden içine doğru yayılır, böylece alaşım atomize tozu yüksek sıcaklık ve oksijen atmosferinde iç oksidasyona uğrar ve alüminyum, alüminyum okside dönüştürülür. Daha sonra, oksitlenmiş bakır bir hidrojen atmosferinde indirgenir, ancak alüminyum oksit indirgenemez ve bakır ve alüminyum oksit karışık bir toz yapılır ve son olarak belirli bir basınç altında sinterlenir. İç oksidasyon yöntemi ile yapılan Cu-A1203'ün şekillendirme ve kürleme teknolojisinde bazı sorunlar vardır. Tozun sinterlenmesi son derece zordur ve işlem karmaşıktır ve maliyeti yüksektir. İç oksidasyon yönteminin dezavantajları, işlemin karmaşık olması, hazırlama işlemini etkileyen birçok faktör olması, malzeme kalitesinin kontrol edilmesinin zor olması ve üretim maliyetinin yüksek olmasıdır, bu da bu işlemin uygulanmasını büyük ölçüde sınırlar.
4. Sıvı metal yerinde yöntemi
Sıvı metal yerinde reaksiyon yöntemi, son yıllarda geliştirilen bakır esaslı kompozit malzemeler için yeni hazırlama teknolojilerinden biridir. Lee ve arkadaşları ilk olarak TiB2/Cu kompozit malzemeleri başarıyla hazırladılar. Bu yöntem, iki veya daha fazla alaşım sıvısını tamamen karıştırır ve kimyasal reaksiyonlar yoluyla düzgün dağılmış nano ölçekli takviyeler üretir. 5hacimce %1 TiB2 içeren Cu esaslı kompozit malzemenin iletkenliği %76 IACS idi. Chrysanthou ve arkadaşları sırasıyla Cu-Ti çözeltisine karbon siyahı, B2O3 veya W karbon siyahı eklediler ve bakır esaslı kompozit malzemeyi güçlendirmek için yerinde ince ve düzgün dağılmış TiC, TiB2 ve WC parçacıkları üretmek üzere reaksiyona girdiler. Bu işlemle hazırlanan kompozitteki takviyenin arayüz kirliliği olmadığından ve matrisle iyi arayüz uyumluluğuna sahip olduğundan, geleneksel kompozit malzemelerden daha yüksek iletkenliğe ve mekanik mukavemete sahiptir.
5. Hızlı katılaştırma yöntemi
Hızlı soğutma oranı, büyük ilk çekirdeklenme aşırı soğuması ve katılaşma süreci sırasında yüksek büyüme oranı nedeniyle, hızlı katılaşma yöntemi katı-sıvı arayüzünün denge durumundan sapmasına neden olur ve böylece geleneksel alaşımlardan farklı bir dizi organizasyonel ve yapısal özellik sunar. Hızlı katılaşma yöntemi bakır bazlı kompozit malzemeler hazırlamak için aşağıdaki özelliklere sahiptir:
(1) Alaşım elementi bakırın katı çözünürlüğü önemli ölçüde artar;
(2) Tahıllar büyük ölçüde rafine edilmiştir;
(3) Kimyasal bileşenlerin mikro ayrışması önemli ölçüde azalır;
(4) Kristal kusurlarının yoğunluğu büyük ölçüde artar;
(5) Yeni bir metastabil faz yapısı oluşur;
(6) Yaşlandırma işleminden sonra bakır matrisindeki ikinci fazın içeriği artar ve dispersiyon derecesi yükselir.
İletkenlikte hafif bir azalma ile alaşımın mukavemeti önemli ölçüde iyileştirilir ve alaşımın aşınma ve korozyon direnci iyileştirilir. Hızlı katılaşma teknolojisi, yüksek mukavemetli ve yüksek iletkenliğe sahip bakır bazlı kompozit malzemelerin hazırlanması için yeni bir alan açmıştır. Gelecekte, yüksek mukavemetli ve yüksek iletkenliğe sahip bakır bazlı kompozit malzemelerin hızlı katılaşma hazırlanmasının araştırma odağı, katılaşma süreci ve yaşlanma sürecinin analizi yoluyla malzeme bileşimini, katılaşma kinetik parametrelerini ve yaşlanma sürecini optimize etmek ve mikro yapıyı ve performansı iyileştirmek olacaktır.
6. Mekanik alaşımlama yöntemi
Mekanik alaşımlama, metal tozunu veya seramik parçacıklarını belirli bir oranda karıştırmak için yüksek enerjili bir bilyalı değirmen kullanır ve bunları tekrar tekrar öğütür. Kompozit toz, taneleri nanometre seviyesine kadar rafine edebilen ve büyük yüzey aktivitesine sahip olabilen tekrarlanan deformasyon, soğuk kaynak, kırma, yeniden kaynaklama ve yeniden kırma işlemlerinden geçer [17]. Çok sayıda bozulma kusurunun tanıtılması nedeniyle, karşılıklı difüzyon yeteneği artar ve aktivasyon enerjisi azalır, bu da alaşımlama işlemini sıradan katı hal işleminden farklı hale getirir. Bu nedenle, geleneksel koşullar altında sentezlenmesi zor olan birçok yeni malzeme hazırlamak mümkündür. Bakır bazlı kompozit malzemeleri hazırlamak için mekanik alaşımlamanın dezavantajı, bilyalı öğütme işlemi sırasında safsızlık elementlerinin kolayca tanıtılması ve bu durumun özellikle iletkenlik olmak üzere malzeme özelliklerini azaltmasıdır. Aynı zamanda, uzun bilyalı öğütme süresi nedeniyle üretim verimliliği düşüktür.
