CUALMG ESASLI ALAŞIMIN ŞEKİL HAFIZA ÖZELLİĞİNE X ELEMENTİNİN ETKİSİ VE ELAZIĞ BÖLGESİ KALKOPİRİT KONSANTRESİNDEN ÜRETİLEN BAKIRIN BU ALAŞIMDA KULLANILABİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ

Abstract

Kalkopirit (CuFeS2), sülfürlü bakır cevherleri arasında en yaygın ve ekonomik açıdan en önemli mineraldir. İçeriğinde bulunan demir ve sülfür nedeniyle doğrudan metalurjik işlemlere uygun olmamakla birlikte, uygun kimyasal çözücülerle gerçekleştirilen hidrometalurjik işlemler sayesinde etkin biçimde bakır geri kazanımı sağlanabilmektedir. Bu yöntem, yüksek sıcaklık gerektiren pirometalurjik yöntemlere kıyasla daha düşük enerji tüketimi ve çevresel etkiler sunarak sürdürülebilir üretim açısından avantaj sağlamaktadır. Ayrıca düşük tenörlü cevherlerin değerlendirilmesine olanak tanıması ve proses kontrolünün yüksek hassasiyetle yürütülebilmesi, hidrometalurjiyi kalkopiritin işlenmesinde stratejik bir alternatif haline getirmektedir. Kalkopiritin hidrometalurjik yöntemlerle değerlendirilmesi hem ekonomik kaynakların verimli kullanımı hemde çevre dostu üretim süreçlerinin geliştirilmesi açısından kritik bir rol üstlenmektedir. Şekil hafızalı alaşımlar gibi ileri fonksiyonel malzemelerin üretiminde sürdürülebilir kaynaklara yönelmek, bu yaklaşımın önemini artırmaktadır. ŞHA'lar belirli bir şekli hatırlayarak dış etkiler karşı tepki verebilme yetenekleri sayesinde akıllı malzeme akıllı malzeme sınıfına girmektedir. Yüksek sıcaklık dayanımı ve dönüşüm kabiliyeti, bu alaşımların mühendislik alanında stratejik bir öneme sahip olduğunu göstermektedir. Bu tez çalışması iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada kalkopirit (CuFeS2) kullanılarak metalik bakır üretimi ve bu üretilen bakırdan yüksek sıcaklık şekil hafızalı alaşım (YSŞHA) üretmek amaçlanmıştır. Hidrometalurjik olarak üretilecek kalkopirit konsantresine ilk olarak ileri öğütme işlemleri uygulanmış ve XRD analizleri sonucunda XRD pik şiddetinin öğütme süresi ile azaldığı, ancak kuvars piklerinde değişim olmadığı belirlenmiştir. Öğütme işlemi ile taneciklerin yüzey alanı artmış, reaksiyon sıcaklıkları düşmüş ve aktivasyon enerjisi azalmıştır. Ancak 60 dakika ve üzeri öğütme süresinde topaklanma gözlemlenmiş ve optimum öğütme süresi 30 dakika olarak belirlenmiştir. Sülfürik asit liçi ve elektrolizle bakır alınmış, alınan bakır ile dörtlü CuAlMnMg ark eritme cihazında argon atmosferinde külçe alaşım halinde döküm yapıldı. Elde edilen alaşım 3x4x5 mm ebatlarında kesilip 900 oC'da 1 saat ısıl işleme tabi tutuldu ve hemen suya çekildi. Yapılan analizlerde elde edilen alaşımın her ne kadar XRD ve SEM görüntülerinde ŞHA ların görüntülerine benzer görüntü verse de DSC/DTA eğrilerinde sadece 700 oC'de bir pik vermiş olması, ŞHA olma özelliğini sergileyememiştir. Bunun sebebinin, elektroliz ile alınan bakırın yeterli saflıkta olmamasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Tezin ikinci aşamasında ise, CuAlXMg (X= Co, Cr, Mn, V, Ti, Ni, Zn, Fe) alaşım elementleri %99,9 saflıkta ticari olarak temin edilmiştir. Alaşımlar ark eritme cihazında argon atmosferinde külçe alaşım halinde dökümleri yapılarak, elde edilen alaşımlar belirli oranlarda kesilerek 900 oC' de 1 saat ısıl işleme tabi tutulmuş ve sonra suya çekilmiştir. Homojenleştirilen alaşımlar DSC, DTA, SEM-EDX, XRD ve VSM analizleri yapılmıştır. Literatürde 100 oC'nin üzerinde martensitik dönüşüm sıcaklığına sahip alaşımlar yüksek sıcaklık şekil hafızalı alaşımı olarak tanımlanmaktadır ve üretilen bu alaşımlar YSŞHA'dır. CuAlXMg alaşımları, ileri mühendislik uygulamaları ve fonksiyonel malzeme geliştirme çalışmaları için yüksek potansiyele sahiptir. Sonuç olarak tezin ilk aşamasında üretilen alaşım şekil hafıza özelliği sergileyememiştir. İkinci aşamada ise yüksek saflıktaki elementlerinYSŞHA üretimi için kritik öneme sahip olduğu ve bu alaşımların endüstriyel uygulamalar ve ileri araştırmalar için önemli bir potansiyele sahip olduğu değerlendirilmiştir.Chalcopyrite (CuFeS2) is the most common and economically important mineral among sulphide copper ores. Although it is not suitable for direct metallurgical processes due to the iron and sulphur it contains, effective copper recovery can be achieved through hydrometallurgical processes carried out with appropriate chemical solvent. This method offers advantages in terms of sustainable production by providing lower energy consumption and environmental impact compared to pyrometallurgical methods that require high temperatures. Additionally, its ability to process low-grade ores and the high precision of process control make hydrometallurgy a strategic alternative for chalcopyrite processing. The hydrometallurgical processing of chalcopyrite plays a critical role in the efficient use of economic resources in the production of advances functional materials such as shape memory alloys (SMAs) further highlights the importance of this approach. SMAs belong to the class of smart materials due to their ability to respond to external stimuli by remembering a specific shape. Their high temperature resistance and transformation capability demonstrate the strategic importance of these alloys in the field of engineering. This thesis study consists of two stages. In the first stage, the aim is to produce metallic cooper using chalcopyrite (CuFeS2) and to produce high temperature shape memory alloy (HTSMA) from this copper. Advanced grinding processes were first applied to the chalcopyrite concentrate to be produced hydrometallurgically, and XRD analyses revealed that the XRD peak intensity decreased with grinding time, but there was no change in the quartz peaks. The grinding process increased the surface area of the particles, reduced the reaction temperatures, and decreased the activation energy. However, agglomeration was observed aat grinding times of 60 minutes and above, and the optimal grinding time was determined to be 30 minutes. Copper was extracted using sulphuric acid leaching and electrolysis, and the extracted copper was cast into ingot alloys in a quaternary CuAlMnMg arc melting furnace under an argon atmosphere. The obtained alloy was cut into 3x4x5 mm dimensions, subjected to heat treatment at 900 oC for 1 hour, and immediately quenched in water. Although the obtained alloy exhibited images similar to those of SMAs in XRD and SEM images, it failed to demonstrate the characteristics of an SMA, as it only produced a peak at 700 oC in DSC/DTA curves. This is believed to be due to the insufficient purity of the copper obtained through electrolysis. In the second stage of the thesis, CuAlXMg (X= Co, Cr, Mn, V, Ti, Ni, Zn, Fe) alloy elements were commercially obtained with 99.9 % purity. The alloys were cast in ingot form in an argon atmosphere using an arc melting device, and the resulting alloys were cut into specific proportions, subjected to heat treatment at 900 oC for 1 hour, and then quenched in water. The homogenized were analyzed using DSC, DTA, SEM-EDX, XRD and VSM. In the literature, alloys with a martensitic transformation temperature above 100 oC are defined as high temperature shape memory alloys, and the alloys produced in this study are HTSMA. CuAlXMg alloys have high potential for advanced engineering applications and functional material development studies. As a result, the alloy produced in the first phase of the thesis did not exhibit shape memory properties. In the second phase, it was determined that high purity elements are critical for the production of HTSMA and that these alloys have significant for industrial applications and advance research.