KURŞUNSUZ PİRİNÇ ALAŞIMLARI

1. KURŞUNSUZ PİRİNÇ ALAŞIMLARI TuğhanÖzçamsırtı* ve Fevzi Yılmaz** *Fabrika Müdürü , SARBAK METAL TİC. ve SAN. A.Ş. Organize Sanayi Bölgesi Gaziosmanpaşa Mah. İtfaiye Cad. No:3 ÇERKEZKÖY / TEKİRDAĞ tughanozcamsirti@sarbak.com.tr **Prof.Dr. , İstanbul AREL ÜNİVERSİTESİ Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, TepekentKampüsü, BÜYÜKÇEKMECE/İSTANBUL, fevziyilmaz@arel.edu.tr

2. KONULAR 1- GİRİŞ 2- KURŞUNSUZ PİRİNÇ 3- DENEYSEL ÇALIŞMALAR 3-1 Ekosarı (Ecocast/Ecobrass) 3-2 Ekosarı (Federalloy) 4- TİCARİ UYGULAMALAR

3. KURŞUNSUZ PİRİNÇ ALAŞIMLARI - ÖZET Musluklarda, pompalarda , vanalarda ve armatürlerde pirinç alaşımı ( Bakır %60 – 40 Çinko ) yoğun olarak kullanılır. Klasik pirinç malzemede % 2-3 kadar kurşun bulunur. Bu kurşun duran ve akan doğal-işlenmiş su tarafından liç edilir (çözülür). Günümüzde, insan sağlığına çok zararlı olan kurşunun suda müsaade edilen limit değeri milyarda 10 parça (10 ppb, 10 mikrogram / litre ) dir (AB -TS 265 , 2005 standardı). Yüksek kurşun içeren ticari pirinçler bu limit değeri asla sağlayamazlar. LEAD FREE BRASS ALLOYS - SUMMARY • Copperalloys (Cu-60-40%Zn) areused in plumbingcomponents , pumps, valvesanddrinkingfountains. Themostcommonplumbingbrasscontainsnominally 2-3% lead. Steadyandflowingchemicallytreatwater is suffecientlyaggressivetoleachexcessiveleadfromthewatersupplysystem. Theleadlevel in newstandard as 10 microgram /liter (10 ppb) orless has been in force since 2005 (EU-TS 265) forhealthreasons. Commonhighleadcommercialbrassesneverfullfilabovegivenrequirements.

4. Kurşun, su tesisat pirinçlerine işlenebilme ve sızdırmazlık için katılır. Günümüzde, alternatif malzeme katkıları (Bi ve Si) aynı özellikleri sağlayabilmiş ve kurşunu ikame edebilmiştir. Kurşunsuz pirinç alaşımları üretimi, insan ve çevre sağlığı açısından önem kazanmıştır ve kullanımı giderek artmaktadır. SARBAK METAL TİC. ve SAN. A.Ş. tarafından piyasaya sunulan Ekosarı – Ecobrass/Ecocast ve Ekosarı –Federalloylarda kurşun sıfırlanmış ve bir çok endişe yok edilmiştir. Bu alaşımlarda döküm ve mekanik özelikler de korunmuştur. Lead is addedtoplumbingbrassestoimprovemachinabilityandensurepressuretightness. Nowadays,lead is replacedbyalternativematerials (Bi ve Si) forhealthandenvironmentalreason. Ekosarı-Ecobrass/EcocastandEkosarı-Federalloy’sarenon-leadedbrassesandmanyfearsaresolved. Sufficientcastingandmechanicalpropertiesareobtained in thesealloysandproducingcompany of SARBAK METAL Tic. ve San. A.Ş. working on them.

5. 1 GİRİŞ • Pirinçler; musluk, pompa parçaları, boru, fittings, tesisat ürünleri, su tesisat kompresörü, evsel ürünler ve küçük dişliler üretiminde yoğun olarak kullanılır. • İçme su hatlarında kullanılan malzemeler ve bileşimleri Dünya Sağlık Örgütü(WHO) ve farklı kuruluşlar (AB, EPA, SDWA, NSF) tarafından sürekli takip edilmektedir. Bu yolla doğal olarak çevreci malzeme üretimi, sağlık ve hijyen şartlarına uygun içme su iletimi sağlanmaktadır.

6. 1996 yılında EPA , Ulusal Bilim Vakfı (NSF) ile “İçme su sistem komponentleri-sağlık etkileri” konusunu Standart 61’de yayınlamıştır. Standart61’de; mutfak, bar, lavabo armatürleri, içme su boruları, su soğutucuları, buzdolapları buz yapıcıları, su dağıtıcıları, tapalar ve son nokta kontrol vanaları için yeni kurşun limitleri verilmiştir. NSF Standart 61 test protokolü pH’sı 8 olan suyun 19 gün pirinç musluk içinde bekletilip analiz edilmesini kapsar. Limit değer olarak 11 ppb(milyarda 11) kabul edilmiştir (11 mikrogram/litre – 0,011 miligram/litre). Nisan 2003’te Japonlar AB’den hızlı davranarak sudaki kurşun limitini 10 ppb’ye (0,01 mg/l) indirmişlerdir. • Sonuç olarak, suda kurşunun bulunuşuyla ilgili oluşturulan direktifler su sistem komponentlerinin kurşunsuz pirinçlerden imal edilmesini zorunlu kılmıştır.

7. Bi ve Si, pirinçlerde kurşuna alternatiftir. Bu çalışmada; kurşunlu pirinçlere alternatif olarak çok bilinen, Ekosarı-Ecobrass/Ecocast ve Ekosarı-Federalloylar ele alınmıştır. Ekosarı-Ecobrass/Ecocast ve Ekosarı-Federalloylar sırası ile (kurşun yerine) Si ve Bi içermektedir. Patentli olan bu alaşımlarda kurşun sıfırlanmış ve bir çok endişe yok edilmiştir. Bu alaşımlarda döküm ve mekanik özelikler de korunmuştur. Çalışmada, SARBAK METAL TİC. ve SAN. A.Ş.’nin ve WIELAND WERKE AG döküm, ekstrüzyon ve AR-GE olanakları kullanılmıştır.

8. 2 KURŞUNSUZ PİRİNÇLER • Suda kurşun konusunda gösterilen duyarlılığın nedeni kurşunun toksik etkisine dayanır.Kurşun zehirleyicidir (Plumbism). Tarihi kayıtlar kurşun borulardan içilen suyun toksik etkisi nedeniyle Roma’nın düşüşünün kolaylaştığını vermektedir. “Their overuse of lead is thought to have contributed to their shortened life expectancies www.sewerhistory.org”. Bugün içme su hatlarında kurşun borulardan tamamen vazgeçilmiştir. • Kurşunun pirinç dökümündeki rolü, alaşımın yapısındaki mikro boşlukları doldurması ve yapı sıkılığı sağlamasıdır. Pirinç alaşımına kurşunun ilave edilmesi işlenebilirliği de arttırır. Bu özelliklerinden dolayı pirinç dökümlerde, kurşun uzun süreden beri alaşım elementi olarak kullanılmaktadır. • İçme suyuna tesisat malzemesinden kurşun geçişini önlemenin iki yolu vardır: a)Yüzey işlemi ile kurşunu su temas bölgesinden uzaklaştırmak, kısacası kurşun ve kurşun bileşiklerini (oksit, hidroksit) yüzeyden almak/azaltmak, b)Pirince kurşun yerine başka element katmaktır.

9. a)Yüzey işlemiile kurşunu su temas bölgesinden uzaklaştırmak • 1. NPb (NonPb)-alkali ya da asit banyoda yüzeyden kurşunu alma-etching (5-6 μm kurşunsuz yüzey elde etme) TOTOCO Lisansı. • 2. PLCS (ParkerLeadClearSystem) Bir çeşit fosfatlama, yüzeyde fosfat zırhı oluşturma, kurşun-su temasını yok etme. • 3. SLA (SurfaceTreatmentForLeadReductionByAcid) Nitrik asit kullanılarak elektroliz yoluyla yüzeyden kurşun ve bileşiklerini almadır. • Bu üç alternatif sürdürülebilir koruma vermemektedir ve çözüm kurşunsuz alaşımlardadır.

10. b) Pirince kurşun yerine başka element katmak • Kurşunsuz bakır alaşımları iki ana grupta toplanır. Sınıflandırma,Cu-Zn ana alaşım elementlerinden sonra sıvı alaşımlara katılan elementlere göre yapılır. Bizmut (Bi), ve Silisyum(Si) en çok katılan elementlerdir. Bu elementler kurşunun yerini alır ve kurşunlu pirinçlerde olduğu gibi alaşımda genellikle % 0,5-3 arasında bulunur. • Kurşunsuz bakır alaşımlarının ergitme ve döküm şartları, akışkanlık test sonuçları ve mekanik özellikleri kurşunlu muadilleri ile örtüşme/yarışma halindedir.

11. 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR • Çevreci pirinçlerle ilgili çalışmalarda, endüstriyel boyutta proses izleme ve numune üretme faaliyetleri gerçekleştirilmiştir. SARBAK METAL TİC. ve SAN. A.Ş.’nin döküm, ekstrüzyon ve AR-GE olanakları kullanılmıştır. Dünyanın önde gelen bakır alaşımı üreticilerinden WIELAND WERKE AG ile Ecobrass/Ecocast ve FEDERAL METAL ile Federalloylar için lisans anlaşmaları yapılmıştır. Alaşımlar, sırası ile (kurşun yerine) Si ve Bi içermektedir.

12. 3.1. EKOSARI - Ecobrass/Ecocast • Ecobrass/Ecocast alaşımlarında kurşun yerine silisyum kullanılmaktadır. Bu alaşımlar çok iyi talaşlı işlenebilme, dövülebilme, soğuk işe elverişlilik,yüksek dayanım ve geri dönüşebilir özelliklere sahiptir. • Bu alaşımlar, toksik maddeler içermez, çevre ve sağlık direktiflerine uyum sağlar.

13. Ecobrass, içi dolu, içi boş ve profil olarak hem dövme hem de talaşlı imalata uygun olarak üretilebilmektedir (Şekil 1). Şekil 1. İçi dolu, içi boş ve profil olarak üretilen Ecobrass örnekleri.

14. a. Fiziksel Özellikler • Ecobrass, diğer bakır malzemelerde görülen özelliklere(iletkenlik ve renk gibi) sahiptir. Özellik Değer • Yoğunluk g/cm3 8,25 • Elastiklik modülü (GPa) ~ 85 • Elektrik iletkenliği 4,5 (7.8) (MS/m) (% IACS) • Isıl iletkenlik (W/mK) ~ 33 b. Mekanik Özellikler • Ecobrass’ın standart pirinçlere göre mekanik karakteristiği daha iyidir. Çekme dayanımı 700 MPa’a kadar çıkabilir. • ÖzellikDeğer • Çekme dayanımı 700 Rm (MPa) • Akma Dayanımı 450 Rp0,2 (MPa) • Uzama A5 (%) 25 • Brinell sertlik HB 190 • Çentik darbe dayanımı (J/cm3) 50

15. c.Mikroyapı • Silisyum zengin faz mikro yapıda talaş kaldırabilirliği sağlar (Şekil 2). Şekil 2. Tavsız-Tavlı Ecobrass mikro yapıları

16. d.Korozyon Davranışı • Ecobrass/Ecocast’ta silisyum ilavesi ile metallerde görülen kararmaya karşı dayanım artmaktadır. • Ecobrass/Ecocast’ın çinkosuzlaşma (dezinsifikasyon) dayanımı (DZR), ISO 6509’a göre test edilmiştir ve çubuk formunda üretilen, standart çinkosuzlaşma pirinci olan CuZn36Pb2As ile karşılaştırıldığında (Şekil 3) daha iyi değerlere sahip olduğu görülmüştür.Şekil 4’de verildiği gibi çinkosuzlaşma kalınlığı oldukça düşüktür ve kabul sınırları içindedir. • DIN 50916 bölüm 1’e göre gerilmeli korozyon çatlağı testi yapıldığında ısıl işlem yapılmamış parçalarda bile hata görülmemiştir.Şekil 5’de literatür sonucu verilmiştir ve aynı bulgulara deneylerle de varılmıştır.

17. Şekil 3. CuZn36Pb2As DZR mikro yapı test resmi

18. Şekil 4. Ecobrass-Ecocast DZR testi mikro yapı test resmi(çinkosuzlaşma yok)

19. Şekil 5. Ecobrass ve kurşunlu pirincin (CuZn39Pb3) gerilmeli korozyon çatlağı test sonuçları. e. Talaşlı İmalat Ecobrass kurşunlu versiyon pirinçlerle karşılaştırabilecek kadar iyiişlenebilirliğe sahiptir. Endüstri bulguları işleme talaşlarının kısa ve kırılgan olduğunu göstermiştir. Takım aşınması, CuZn39Pb3 ile karşılaştırıldığında Ecobrass/Ecocast ’ta az miktarda yüksektir.

20. V = 150 m/min V = 225 m/min V = 300 m/min

21. f. Dövme • Standart dövme pirinci olan CuZn40Pb2 ile mukayese edilebilecek kadar iyi dövme özellikleri görülmüştür. Tavsiye edilen dövme sıcaklığı 700-750 ºC civarıdır. g. Soğuk İş • Soğuk iş özellikleri çok iyidir. Yüksek mukavemet özellikleri ile birlikte yeterli uzama gösterir. Eğme, diş açma, perçinleme işlemleri rahatça gerçekleştirilebilir. h. Yüzey İşlemleri • Standart pirinçlerle karşılaştırabilecek kadar iyi elektro kaplama özelliklerine sahiptir. ı. Soğuk Perçinleme • Şekil 6’da verildiği gibi işlem sertleşmesi ve şekillendirme ile mukavimleşmesi çok iyidir.

22. Şekil 6. Ecobrass’ın soğuk işlemle mukavemet artışı ve işlem sertleşmesi.

23. i. Proses Davranışları Tablo 2. Ecobrass’nın özellikleri ve proses davranışları.

24. j. Geri Dönüşüm • Diğer bütün bakır alaşımları gibi Ecobrass/Ecocast geri dönüşebilirliği oldukça iyidir. Şekil 7 ‘de işleme talaşları verilmiştir. Talaşlar,silisyum içeriğinden dolayı diğer pirinç talaşları ile karıştırılmamalıdır. Şekil 7. Ecobrass/Ecocast işleme talaşları. k. Döküm Özellikleri ve Tane İnceltme Ecocast ’larda kurşunlu pirinçlerde uygulanan ve bilinen döküm ve tane inceltme pratiği geçerlidir. Mikroyapılar yeteri incelik ve eşeksenli olarak elde edilebilmektedir (Şekil 8 ve 9).

25. a) b) Şekil 8. Tane inceltme uygulanmamış ve uygulanmış Ecocastmakroyapıları. a)Tane inceltmesiz b)Tane inceltmeli

26. a) b) Şekil 9. Tane inceltme uygulanmamış ve uygulanmış Ecocastmikroyapıları. a)Tane inceltmesiz b)Tane inceltmeli

27. ECOCASTMekanik Özellikler • ECOCAST Kurşunsuz Külçeler EcocastSürekli Döküm Külçesi EcocastSerbest Döküm Külçesi

28. ECOCAST VE CuZn39Pb1AlB Döküm Özellikleri Karşılaştırması ECOCAST CuZn39Pb1AlB

29. Dökülebilirlik • Resimden de anlaşılabileceği gibi, dökülebilirlik özelliği çok iyidir.

30. Spiral Test Sonuçları ECOCAST C 836 - CAC406 (BC6C)

31. ECOBRASS’IN GENEL KULLANIM ALANLARI • Otomotiv Sektörü - Sensör Gövdeleri - Termostat Parçaları - Sıvı Konnektörleri • Endüstri - Cıvata, somun, valf, otomatik vidalama makinesi parçaları, su valf gövdeleri, kondansatör tüp plakaları, pnömatikfitting, pompa parçaları • Deniz Sanayi - Deniz sanayi ürünleri, pervane şaftları • Tesisat - Musluk, musluk sistemleri, tesisat fitting, su sayacı gövdeleri ECOCAST’ IN GENEL KULLANIM ALANLARI • Endüstri - Su için valf gövdeleri • Deniz Sanayi Ürünleri • Tesisat • - Musluk, tesisat fittingi, su sayacı gövdeleri

33. 3.2.Ekosarı – Federalloy - Kurşunsuz Armatür Pirinci – (Dökümler İçin) Federalloylar, kurşun yerine bizmut içeren, maksimum basınç sızdırmazlığı ve karakteristik işlenebilirlik özelliklerine sahip ürünleri kapsar. Su armatürleri gibi insan sağlığını yakından ilgilendiren ürünlerde toksik etkiye sahip kurşun alaşımdan çıkarılmıştır. Tablo 3’de verildiği gibi Federalloylar kurşunsuz (Maksimum %0,1) olup % 0,75-1,5 aralığında Bi içerir.Çinkosuzlaşma dayanımı özelliğini iyileştirmek için Sb ilavesi yapılır.

34. Tablo 3. Federalloy gurubu kurşunsuz pirinçler • Norm, ASTM C89540 • Kimyasal Özellik

35. a. Kurşun Yerine Bizmut Bizmut, kurşuna yakın fiziksel özelliklere sahip olduğu için kurşunun yerine mükemmel bir alternatiftir. Bizmut ile kurşunu ayıran özellikler: Kurşun yumuşak ve sünektir, bizmut ise sert ve kırılgandır. Federalloylar ile yapılmış olan çalışmaların sonucunda, bizmutun alaşımın her yanına homojen olarak dağılması sağlanmıştır. b. Yüzey ve İşlenebilirlik Özellikleri: Federalloylar içindeki bizmutun homojen olarak dağılmış olması, ürünün polisajlanabilmesini kolaylaştırır, böylece parlak ve mücella bir görünüm elde edilir. Bizmut, kurşunlu pirinçlerden daha iyi işlenebilirlik kazandırır ve bundan dolayı parça işleme maliyeti daha azdır. Federalloyların, iyi işlenebilirlik, iyi polisaj özelliği ve kaplama karakteristiği vardır. Federalloylar daha az kumlama sürelerine ihtiyaç duyduklarından dolayı yüzey temizleme maliyetleri düşüktür.

36. c. Döküm Özelliği: Kurşun, 327 °C de ergir. Bizmut ise 271°C’de ergimektedir ve periyodik cetvelde kurşundan sonra gelmektedir. Bizmut ilavesi sonucu alaşımın döküm sıcaklığı düşmekte ve maliyet azalmaktadır. Düşük ergime sıcaklığında daha iyi döküm özelliği sağlanır. Bizmutlu Federalloylar kurşunlu muadilleri gibi uzama ve süneklik kalite testini garanti etmektedir. Bu alaşımlarda temizleme maliyetleri aza iner , döngü hızı artar. Federalloylar buharlaşmaz yapıda olduğundan bileşim ayarlaması kolay ve hesaplanabilirdir. Federalloy, kaba dökümlerde kurşunlu pirinçlerden daha iyi kristal yapıya sahiptir. Federalloylar kaliteli mikroyapı karakteristiği sergiler (Şekil 10).

37. FEDERALLOY DÖKÜM ÖZELLİKLERİ FEDERALLOY İŞLEME ÖZELLİKLERİ FEDERALLOY IV B2 MEKANİK ÖZELLİKLERİ

38. Büyük veya küçük parçaların dökümünde kurşunlu pirinçlerde döküm sıcaklığı alaşımın karakteristiğini çok etkilemektedir. Federalloylar ile kurşunlu pirinçlerden daha yüksek sıcaklıklarda döküm yapılabilir, buna rağmen döküm kalitesi düşmez. a) Aşılama öncesi b) Aşılama sonrası Şekil 10.Federalloymikroyapıları

39. EN ISO 6509 çinkosuzlaşma dayanımı testine uygun.a kalite -max 200 mikron derinlikb kalite –ortalama 200 mikron,max 400 mikron FEDERALLOY IV B3 DZR TESTİ

40. Musluk Pompa parçaları Boru fittings Tesisat ürünleri Su tesitat kompresörü Evsel ürünler Küçük dişliler FEDERALLOY KÜLÇE KULLANIM YERLERİ

41. 4-TİCARİ UYGULAMALAR Ekosarılar, sadece kurşunlu pirinç olan atalarının yerini almıyorlar.Paslanmaz çelikten,nikel gümüşüne;kalay bronzundan,alüminyum ve alaşımlarına;otomat çeliğinden,alüminyum bronzuna kadar birçok alaşımın yerine geçmektedirler ve birçok endüstriyel uygulamanın içine girmektedirler. Bazı uygulamalardan örnekler:

42. Uygulamalardan Örnekler Component • Endüstri KoluEnerji • UygulamaRüzgar Değirmeni Dişlileri • Parça Kayan Parçalar • İhtiyaçlar • kurşunsuzluk • yüzey işlemleri uygunluğu • iyi işlenebilirlik • Ecobrass‘ın yerine • geçtiği alaşım • CuZn40Pb2 (C38000) • CuZn38Pb2 (C37700) Application

43. Uygulamalardan Örnekler Component • Endüstri KoluSıhhi Tesisat • UygulamaMusluk • Parçaİç Parçalar • İhtiyaçlar • kurşunsuzluk • iyi aşınma mukavemeti • Ecobrass’ın yerine geçtiği alaşım; • CuZn39Pb3 (C38500) Application

44. Component Uygulamalardan Örnekler • Endüstri KoluSıhhi Tesisat • UygulamaSıcak Su Sayacı • Parça Gövde (Dövülmüş) • İhtiyaçlar • kurşunsuzluk • iyi dövülebilirlik • Ecobrass’ın yerine geçtiği alaşım; • CuZn40Pb2 (C380500) • gunmetal (C83600) Application

45. Application Uygulamalardan Örnekler • Endüstri koluSürgü • UygulamaHalat Gergisi • Parça Gövde (Dövülmüş) • İhtiyaçlar • iyi çekme mukavemeti • iyi aşınma mukavemeti • iyi korozyon mukavemeti • Ecobrass’ın yerine geçtiği alaşım; • paslanmaz çelik Component

46. Component Uygulamalardan Örnekler • Endüstri kolu İnşaat • Uygulama Kapı Kolu • Parça Kol • İhtiyaçlar • kurşunsuzluk • antimikrobiyal etki • Ecobrass’ın yerine geçtiği alaşım; • CuZn39Pb3 (C38500) • Alüminyum • Paslanmaz Çelik Application

47. Uygulamalardan Örnekler • Endüstri kolu Elektrik • Uygulama Vida Konektörü • Parça Metal Parçalar • İhtiyaçlar • kurşunsuzluk • yüksek çekme mukavemeti • Ecobrass’ın yerine geçtiği alaşım; • CuZn39Pb2 (C37700) Component Application

48. Uygulamalardan Örnekler • Endüstri kolu Yağ Sektörü • Uygulama Basınç Sensörü • Parça • İhtiyaçlar • mukavemet • işlenebilirlik • Ecobrass’ın yerine geçtiği alaşım; Paslanmaz Çelik 1.4305 Component Component Application

49. Uygulamalardan Örnekler • Endüstri kolu Yapı • Uygulama Vida Mili • Parça Zarf Bağlantısı • İhtiyaçlar • antimanyetik • pürüzsüz zımparalanabilme • Ecobrass’ın yerine geçtiği alaşım; • Paslanmaz Çelik1.4305 • CuZn39Pb3 Component

50. Uygulamalardan Örnekler Component • Endüstri kolu Tıp • Uygulama Matkap Başı • Parça • İhtiyaçlar • iyi işlenebilirlik • yüksek güç • iyi elektrokaplama özelliği • kurşunsuzluk • nikelsizlik • Ecobrass’ın yerine geçtiği alaşım;Paslanmaz Çelik 1.4305 • nikel gümüşü Application