Yeni nesil yüksek performanslı CuNiSiCo alaşımının incelenmesi
Investigation of the new generation high performance CuNiSiCo alloy
Yazar: VOLKAN KARAKURT
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüz endüstriyel ortamında, yüksek elektrik iletkenliğini sağlayan malzemelerin yanı sıra olağanüstü dayanıklılık ve güce sahip olmaları beklenmektedir. Bu talep, tüketici elektroniği, otomotiv sektörü, telekomünikasyon ve yenilenebilir enerji altyapısı gibi çeşitli sektörlerde ortaya çıkmaktadır. Geleneksel olarak, bakır alaşımları arasında özellikle CuNi2Si gibi çökeltme ile sertleştirilmiş alaşımlar, elektromekanik bağlantı alanında yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak günümüz endüstrisi, endüstriyel uygulamalarda yüksek performanslı bileşenler üretmek adına daha yüksek performanslı malzemeler arayışına girmiştir. Bu bağlamda, Cu-Ni-Si-X alaşımları arasında bilinen Corson alaşımları, elektronik cihazların uygulanmasında aktif olarak kullanılan ve önemli bir yere sahip olan malzemeler olarak öne sunulmuştur. Corson bakır alaşımları, mükemmel iletkenliği korurken aynı zamanda endüstriyel uygulamalar için üstün mekanik ve fiziksel özellikleri sağlayan bir bakır-nikel-silikon sistemini temsil eder. Bu alaşımlar, Ni2Si fazının çökeltilmesi ile yaşlandırmayla sertleşebilen malzemelerdir. Ni2Si fazının çökelmesi, mükemmel bir mukavemet/elektriksel iletkenlik dengesi ve bükülebilirlik sağlar, bu nedenle çeşitli elektronik cihazlarda kullanılmaktadır. Ancak, elektronik cihazların küçülmesi ve hafiflemesiyle birlikte, bu malzemelerin mukavemetinin daha da artırılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Bu noktada, CuNiSiCo alaşımı devreye girerek geleneksel çökeltme sertleştirme sistemlerini geride bırakmaktadır. CuNiSiCo alaşımı, Co2Si fazını içererek, Co ile güçlendirilmiş bir yapı sunmaktadır. Bu özellikler sayesinde, yüksek mukavemet, üstün yük taşıma kapasitesi, korunan iletkenlik, dayanıklılık, gelişmiş aşınma direnci ve termal stabilite gibi avantajlara yol açmaktadır. CuNiSiCo alaşımı, elektromekanik bağlantılar, soğutucular, yaylar ve üst düzey elektronikler gibi zorlu uygulamalar için ideal bir yüksek performanslı bakır alaşımı olarak kabul edileceği araştırmacılar tarafından bahsedilmektedir. Cu-Ni-Si alaşım sistemine kobalt ilavesi, bu alaşımın sağladığı gelişmiş özellikleri daha da artırarak çeşitli endüstrilerde yeni nesil, yüksek performanslı bakır alaşımlarının önünü açacağı değerlendirilmektedir. Bu nedenle, CuNiSiCo alaşımı, günümüz endüstri ihtiyaçlarına uygun bir çözüm olacağı araştırmacılar tarafından son zamanlarda geniş bir şekilde araştırılmaktadır.
Bu çalışmada, Cu-Ni-Si alaşım sistemine kobalt (Co) ilavesinin CuNiSiCo alaşımının mekanik özellikleri, elektriksel iletkenliği, mikroyapısı, aşınma dayanımı ve korozyon davranışına olan etkilerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, kokil kalıba döküm yöntemi kullanılarak geleneksel CuNi2Si alaşımı ile Corson alaşımı grubuna ait CuNiSiCo alaşımı üretilmiş ve ardından bu iki farklı alaşım birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sıvı ergiyik yöntemi ile üretilen alaşımlar şahmerdan ile sıcak dövme işlemine tabi tutulmuş ve ardından çözeltiye alınıp su verilmiştir. Su verilmiş alaşımlar 3 farklı sıcaklıkta (450, 500 ve 600°C) ve 4 farklı sürede (2, 4, 6 ve 8 saat) yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmıştır. Her iki alaşımda döküm durumunda, dövme sonrasında, çözeltiye alınıp su verme sonrasında ve her yaşlandırma ısıl işlem parametrelerinde optik mikroyapı görüntüleri incelenmiştir. Ayrıca, alaşımların döküm hali ve optimum yaşlandırma parametresine tabi tutulmuş hallerinin taramalı elektron mikroskobu görüntüleri incelenmiş ve EDX analizi yapılmıştır. Her iki alaşımın döküm, dövme, su verme ve yaşlandırma ısıl işlem parametrelerinde sertlik ve iletkenlik testleri gerçekleştirilmiştir. Alaşımların dövme sonrası ve optimum yaşlandırma ısıl işlem görmüş numunelerine çekme testi uygulanmış ve kırılma yüzeyleri ayrıntılı bir şekilde taramalı elektron mikroskobunda incelenmiştir. Optimum yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmış her iki alaşım için kuru aşınma testi ve potansiyodinamik polarizasyon korozyon testleri gerçekleştirilmiştir.
Çalışma sonucunda, Co içeren CuNiSiCo alaşımının döküm ve çözeltiye alma konumlarında CuNi2Si alaşımına kıyasla daha yüksek sertlik gözlemlenirken, sıcak dövme işleminden sonra CuNi2Si alaşımı daha yüksek sertlik sergilemiştir. Her üç sıcaklıkta ve sürede yapılan yaşlandırma ısıl işleminde CuNiSiCo alaşımının CuNi2Si alaşımından daha fazla sertliğe sahip olduğu belirlenmiştir. CuNiSiCo alaşımının bu sertlik artışının kobalt elementinin yaşlandırma ısıl işlemi sırasında mikroyapı görüntülerinde de gözlemlenen Co2Si ve CoSi intermetaliklerinin çökelmesinden kaynaklı olduğu belirlenmiştir. CuNiSiCo alaşımının CuNi2Si alaşımına göre %34 daha fazla akma dayanımına, %29 daha yüksek çekme mukavemetine sahip olduğu belirlenmiştir. 5N, 10N ve 20N yük altında yapılan aşınma testinde CuNiSiCo alaşımının CuNi2Si alaşımına kıyasla aşınma direncinin daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Aynı zamanda her üç yük altında yapılan aşınma testinde CuNiSiCo alaşımının CuNi2Si alaşımına kıyasla daha düşük sürtünme katsayısına sahip olduğu belirlenmiştir. Alaşımların korozyon test sonuçlarında CuNiSiCo alaşımının korozyona daha fazla dirence sahip olduğu değerlendirilmiştir. Sonuçlar genel olarak incelendiğinde, CuNiSiCo alaşımı birçok önemli açıdan CuNi2Si'yi geride bırakan yüksek performanslı bir malzeme olarak ortaya çıkmaktadır.

Abstract:
In today's industrial environment, they are expected to have exceptional durability and strength, as well as materials that provide high electrical conductivity. This demand is emerging in various sectors such as consumer electronics, automotive sector, telecommunications and renewable energy infrastructure. Traditionally, precipitation-hardened alloys, especially CuNi2Si among copper alloys, have been widely used in the field of electromechanical connection. However, today's industry has started to search for higher-performance materials in order to produce high-performance components in industrial applications. In this context, Corson alloys, known as Cu-Ni-Si-X alloys, are presented as materials that are actively used and have an important place in the application of electronic devices. Corson copper alloys represent a copper-nickel-silicon system that maintains excellent conductivity while at the same time providing superior mechanical and physical properties for industrial applications. These alloys are age-hardenable materials with precipitation of the Ni2Si phase. The precipitation of the Ni2Si phase provides an excellent balance of strength/electrical conductivity and bendability, which is why it is used in various electronic devices. However, with the shrinking and lightening of electronic devices, the need to further increase the strength of these materials has emerged. At this point, the CuNiSiCo alloy comes into play, leaving traditional precipitation hardening systems behind. CuNiSiCo alloy contains a Co2Si phase and offers a Co-reinforced structure. Thanks to these properties, it leads to advantages such as high strength, superior load-bearing capacity, preserved conductivity, durability, improved wear resistance and thermal stability. CuNiSiCo alloy is mentioned by researchers that it will be considered an ideal high-performance copper alloy for demanding applications such as electromechanical connections, coolants, springs, and high-end electronics. It is estimated that the addition of cobalt to the Cu-Ni-Si alloy system will pave the way for a new generation of high-performance copper alloys in various industries by further increasing the advanced properties provided from this alloy. Therefore, CuNiSiCo alloy has been widely researched recently by researchers, where it will be a suitable solution for today's industry needs. 
In this study, it was aimed to determine the effects of cobalt (Co) addition to Cu-Ni-Si alloy system on the mechanical properties, electrical conductivity, microstructure, wear resistance and corrosion behavior of CuNiSiCo alloy. For this purpose, the traditional CuNi2Si alloy and the CuNiSiCo alloy belonging to the Corson alloy group were produced using the mold casting method, and then these two different alloys were compared with each other. For this purpose, the traditional CuNi2Si alloy and the CuNiSiCo alloy belonging to the Corson alloy group were produced using the permanent mold casting method, and then these two different alloys were compared with each other. The alloys produced by the liquid melt method were subjected to hot forging process with a hammer and then taken into solution and given water. Quenched alloys were subjected to aging heat treatment at 3 different temperatures (450, 500 and 600°C) and 4 different times (2, 4, 6 and 8 hours). In the case of casting in both alloys, optical microstructure images were examined after forging, after solution and quenching, and in each aging heat treatment parameters. In addition, scanning electron microscope images of the as-cast and optimum aging parameters of the alloys were examined and EDX analysis was performed. Hardness and conductivity tests of both alloys were carried out in casting, forging, quenching and aging heat treatment parameters. Tensile testing was applied to the post-forging and optimum aging heat-treated samples of the alloys, and the fracture surfaces were examined in detail by scanning electron microscopy. Optimum aging heat treatment was applied, dry wear test and potentiodynamic polarization corrosion tests were performed for both alloys.
As a result of the study, higher hardness of CuNiSiCo alloy containing Co was observed compared to CuNi2Si alloy in casting and solution taking positions, while CuNi2Si alloy exhibited higher hardness after hot forging process. It has been determined that CuNiSiCo alloy has more hardness than CuNi2Si alloy in the aging heat treatment process performed at all three temperatures and times. It has been determined that this hardness increase of CuNiSiCo alloy is caused by the precipitation of Co2Si and CoSi intermetallics, which were also observed in microstructure images during the aging heat treatment process of the cobalt element. It has been determined that CuNiSiCo alloy has 34% higher yield strength and 29% higher tensile strength than CuNi2Si alloy. In the wear test under 5N, 10N and 20N load, CuNiSiCo alloy was found to have higher wear resistance compared to CuNi2Si alloy. At the same time, it has been determined that CuNiSiCo alloy has a lower coefficient of friction compared to CuNi2Si alloy in the wear test performed under all three loads. In the corrosion test results of the alloys, it was evaluated that CuNiSiCo alloy has more resistance to corrosion. When the results are examined in general, CuNiSiCo alloy emerges as a high-performance material that surpasses CuNi2Si in many important respects.