Tehnomaterjalide referaat - Vask (0)

VASK REFERAAT Õppeaines: TEHNOMATERJALID instituut Õpperühm:  Juhendaja:  2022 Sisukor


1 VASE EHITUS JA STRUKTUUR...................................................................................................4 2 VASE OMADUSED.........................................................................................................................5 3 VASE TOOTMINE...........................................................................................................................6 3.1 Vaskoksiidist (CuO)...................................................................................................................6 3.2 Sulfiidist.....................................................................................................................................6 4 TUNTUMAD SULAMID.................................................................................................................8 4.1 Messingid ehk valgevased..........................................................................................................8 4.2 Pronksid......................................................................................................................................8 4.3 Vaseniklisulamid........................................................................................................................9 4.4 Vaseniklitsingisulamid...............................................................................................................9 5 KASUTUSVALDKOND................................................................................................................10 6 KOKKUVÕTE................................................................................................................................11 VIIDATUD ALLIKAD......................................................................................................................12 SISSEJUHATUS..................................................................................................................................3 1 VASE EHITUS JA STRUKTUUR..............................................................................................4 2 VASE OMADUSED....................................................................................................................5 3 VASE TOOTMINE......................................................................................................................6 3.1 Vaskoksiidist (CuO)..............................................................................................................6 3.2 Sulfiidist.................................................................................................................................6 4 TUNTUMAD SULAMID............................................................................................................8 4.1 Messingid ehk valgevased.....................................................................................................8 4.2 Pronksid.................................................................................................................................8 4.3 Vaseniklisulamid...................................................................................................................9 4.4 Vaseniklitsingisulamid .........................................................................................................9 5 KASUTUSVALDKOND...........................................................................................................10 6 KOKKUVÕTE...........................................................................................................................11 VIIDATUD ALLIKAD......................................................................................................................12 2


SISSEJUHATUS Vask on tõenäoliselt üks esimesi metalle mida iidsed kultuurid kasutasid, seda leidus väikestes kogustes maailma eripaigus. Esmakordselt võeti metall tarvitusele Balkanil ja Lähis - Idas aastatel 8000 – 3000 eKr. Hiljem Egiptuses ja Euroopas. Läikivast punakaspruunist metallist valmistati nii tööriistu,   ehteid   ja   tarbeesemeid   kui   ka   raha.   Sellest   valmistatud   vanimad   esemed   pärinevad Neoliitikumi   ajastust.   Metallil   oli   inimkonna   ajaloos   nii   tähtis   roll,   et   see   andis   oma   nime vaseajastule.  Hea   töödeldavuse   tõttu   oli   vask   populaarne   materjal,   see   oli  vajalik   messingi   ja pronksi ning paljude teiste sulamite valmistamiseks. Kogemused vase sulatamisega viisid edasi ka teiste metallide sulatamiseni nagu raud. [1]   Vaske leidub looduses peamiselt ühenditena , näiteks sulfiidina (Cu2S) või rohelise malahhiidina, mis keemiliselt kujutab endast vaskhüdroksiidkarbonaati Cu2(OH)2CO3 ehk CuCO3 x Cu(OH)2. Et vaske leidub looduses ka ehedalt, siis kuulub ta vanimate tuntud elementide hulka. [2] Käesolev   referaat   annab   ülevaate   vase   ehitusest,   struktuurist   ja   omadustest   ning   tuntumatest sulamitest. Samuti vase tootmisest ja kasutusvaldkonnast. 3


1 VASE EHITUS JA STRUKTUUR Vask  (ladina keeles  cuprum; tähis  Cu) on keemiline element järjenumbriga 29. Asub elementide perioodilise tabeli rühmas 11, periood 4. Tal on kaks stabiilset isotoopi massiarvudega 63 ja 65. Aatommass on 63,54. Vase elektronskeem näeb välja: 2) 8) 18) 1). Vase aatomil on 29 prootonit ja 35 neutronit (Joonis 1). [2] Joonis 1. Vase ehitus [3] Kristallstruktuur on vasel tahkkeskendatud kuupvõre K12 (Joonis 2). Joonis 2. Vase kristallstruktuur [4] 4


2 VASE OMADUSED Vask on punaka värvusega, sepistatav, valtsitav ja traadiks tõmmatav metall. Teda iseloomustab kõrge elastsus, hea soojus- ja elektrijuhtivus, korrosioonikindlus, hea töödeldavus, antimikroobsus ning mittemagnetilisus. [5] Kuumutamisel   õhus   kattub   vask   musta   värvusega   vask(II)oksiidi   kihiga.   Kuivas   õhus   on   vask püsiv. Niiskes õhus tekib vaskesemete pinnale aja jooksul korrosiooniprotsessi tagajärjel pruuni või roheka värvusega paatinakiht, mis kaitseb selle all olevat metalli edasise korrosiooni eest. Rohekas paatinakihti,   mida   mõnikord   näeme   vanadel   vaskesemetel,   tekib   väga   aeglaselt.  Kuna   vask   on metall, käitub ta redoksreaktsioonis redutseerijana. Samuti on vask väheaktiivne metall ning ta ei reageeri ei hapetega ega ka veega. [2] Vase tehnilised näitajad [2]:  Omadustelt on vask metall,   Normaaltingimustes on tihedus 8,9 g/cm3,  Asub IB rühmas ning 4. perioodis,   Sulamistemperatuur on 1083 °C,  Keemistemperatuur 2567 °C,  Eritakistus 20 °C juures on 16,78 nΩ·m,m,  Tihedus 8,96 g/cm3,  Vask on plastne metall tõmbetugevusega: Rm= 200...250 Mpa, 5


3 VASE TOOTMINE Vase töötlemine on keeruline protsess, mis algab maagi kaevandamisega, milles on vähem kui 1% vaske ja lõpeb 99,99% puhta vase lehtedega, mida nimetatakse katoodideks ja millest valmistatakse igapäevaseks kasutamiseks mõeldud tooteid. [6]  Vaske   ekstraheeritakse   tavaliselt   oksiid-   ja   sulfiidmaagidest,   mis   sisaldavad   0,5–2,0%   vaske. Vasetootjate   kasutatavad   rafineerimismeetodid   sõltuvad   maagi   tüübist,   aga   ka   muudest majanduslikest ja keskkonnateguritest. Praegu saadakse umbes 80% ülemaailmsest vasetoodangust sulfiidiallikatest. Sõltumata maagi tüübist tuleb kaevandatud vasemaak esmalt kontsentreerida, et eemaldada maagis olevad kiud või soovimatud materjalid. Selle protsessi esimene samm on maagi purustamine ja pulbristamine kuul- või varrasveskis. [7] 3.1 Vaskoksiidist (CuO) Vase tootmiseks oksiidmaagist kasutatakse hüdrometallurgilist leotusprotsessi. See hõlmab kolme etappi.   Esimeses  kogutakse  kivim  spetsiaalselt   ettevalmistatud  leotusaladesse.   Seal  pihustatakse toormele väävelhappe lahust, mis niriseb läbi kivimi ja lahustab maagist vase. Saadud väävelhappe ja vasksulfaadi (vase kontsentratsioon 60 – 70%) lahus kogutakse basseinidesse. [6] Järgmisena toimub  lahustiga ekstraheerimine, mille käigus eraldatakse kaks vedelikku teineteisest. Nii liigub vask ühest vedelikust teise jättes maha lisandid. [6] Viimane etapp on elektrolüüs, mille käigus elektrivool läbib inertse anoodi (positiivne elektrood) ja vaselahuse, mis toimib elektrolüüdina. Positiivselt laetud vaseioonid (katioonid) väljuvad lahusest ja kantakse 99,99% puhta vasena katoodile (negatiivne elektrood). [6] 3.2 Sulfiidist Sulfiidmaakide töötlemiseks kasutatakse tavaliselt hüdrometallurgiat ja pürometallurgiat. Kasutades mitmeid   füüsikalisi   samme   ja   kõrgeid   temperatuure,   vask   ekstraheeritakse   ja   puhastatakse. Sulfiidmaake    töödeldakse  peale  purustamist  veel  eraldi  veskites,   kus  need   jahvatatakse.   Peale jahvatamist liigub pulber edasi flotatsioonikambrisse, kus lisatakse vedelik, et tekiks suspensioon. Suspensioonile lisatakse keemilisi reaktiive, mis ühenduksid vase mineraalidega, et muuta need hüdrofoobseks. Mahutisse puhutakse õhk, mille tulemusena tekivad mullid, mis tõusevad pinnale, võttes   kaasa   veekindlad   vasksulfiidi   osakesed.   Seejärel   eemaldatakse   paagi   ülaossa   tekkinud 6


vasemullide   vaht.   Vaht   valatakse   suurtesse   mahutitesse,   mida   nimetatakse   paksendajateks. Paksendajates mullid purunevad ja tekkinud tahked ained settivad paagi põhja, mis filtreeritakse, et eemaldada liigne vesi. [8] Seejärel   saadetakse   tahke   vasekontsentraat   sulatusseadmesse.   Esmalt   läbib   see   sulatusahju,   mis kuumutatakse temperatuurini 1260°C ja muundatakse sulavedelikuks. Tekkinud sulam valatakse räbu settimisahju. Selle etapi käigus saadakse matt, vase, väävli ja raua segu, räbu ning tihe klaasjas materjal, mis on koosneb rauast, ränidioksiidist ja muudest lisanditest. Saadud vaskmatt sisaldab sel hetkel 58-60% vaske. [8] Seejärel viikase vaskmatt konverterisse, et eemaldada ülejäänud raud ning väävel. Saadud toodet nimetatakse blistervaseks, mis sisaldab 98% vaske. Toore viiakse anoodsulatusse, kus vases leiduv hapnik ära põletatakse. Tulemuseks on sinakasroheline anoodvask, mis valatakse vormidesse ja mida   nimetatakse   anoodivaluratasteks.   Viimases   etapis   vaskanoodi   plaadid   rafineeritakse elektrolüüsi teel (samamoodi nagu vaskoksiidigi puhul). [8] 7


4 TUNTUMAD SULAMID Vaske   legeeritakse   mitmesuguste   elementidega,   saades   erisulameid,   millistest   peamised   on messingid ehk valgevased, pronksid, melhior ja konstantaan ning uushõbe ehk alpaka. [9] 4.1 Messingid ehk valgevased Messingiks e valgevaseks nim vase ja tsingi (kuni 45%) sulamit. Mida suurem on messingis tsingi sisaldus seda hapram ta on. Messingid jaotatakse survega töödeldavaks ja valumessingiks. Kuni 35%   tsingisisaldusega   messingid   on   plastsed   ja   sobivad   külmsurvetöötluseks.   Edasine   tsingi sisalduse tõus toob kaasa messingi plastsuse vähenemise. [9] Messingid on reeglina ka valatavad. Messing, mis sisaldab vähem kui 10% tsinki kannab nimetust tombak. Tombaku peamiseks kasutajaks on juveelitööstus. [9] Suure   plastsusega   sulamina   on   tuntud   30%   Zn-sisaldusega   messing,   nn   hülsimessing   mida kasutatakse padrunikestade ja mürsuhülsside valmistamiseks. Väikestes kogustes Sn ja Al lisamine parandab   messingi   korrosioonikindlust   merevees,   Pb   lisamine   parandab   aga   lõiketöödeldavust. Tuntumad   hea  survetöödeldavusega  messingid   sisaldavad   10…20%  Zn,  hästi   lõiketöödeldav   ja automaadimessingina tuntud sulam sisaldab aga ca 40% Zn ja 1…2% Pb. [9] 4.2 Pronksid Pronksid on vase sulamid ülejäänud metallidega peale tsingi ja nikli. Põhilisandi järgi eristatakse tinapronkse, alumiiniumpronkse, ränipronkse, berülliumpronkse jt. [9] Tinapronkside Sn-sisaldus ei ületa 20%, Tinapronksid jagunevad kahte rühma: deformeeritavad (tina kuni 5%) ja valatavad (tina üle 5%). Tinapronkse kasutatakse liuglaagrite, vedrude, müntide ja dekoratiivse   pronkspleki   valmistamiseks.   Fosforit   sisaldavaid   suurema   tugevusega   tinapronkse nimetatakse ka fosforpronksideks. [9] Alumiiniumpronkside   omadused   on   analoogsed   tinapronkside   omadega.   Need   sulamid   on   hea külmsurvetöödeldavusega   Alumiiniumpronkside   peamisteks   omadusteks   on   suurepärane korroskoonikindlus, sealhulgas ka merelistes tingimustes. Neid kasutatakse pleki, soojusvahetite torustiku   jms.   valmistamiseks.   Alumiiniumpronkse   Al-sisaldusega   ca   10%   kasutatakse   laeva 8


sõukruvide, klappide, pumpade jms. merelistes tingimustes töötavate seadmete või nende osade valmistamiseks. [9] Tehnikas kasutatavad ränipronksid sisaldavad tavaliselt 3% Si ja kuni 1% Mn. Ränipronksid on hästi   survetöödeldavad   nii   külmalt   kui   ka   kuumalt.   Ränipronkside   omadused   on   ligilähedased tinapronksidele, ent nad on odavamad, mistõttu neid kasutatakse sageli tinapronkside asemel. [9] Berülliumpronksid   on   suurima   tugevusega   vasesulamid.   Sulamid   on   termotöödeldavad (karastatavad ja vanandatavad). Enim kasutatav berülliumpronks sisaldab 2% Be. Berülliumpronksi kasutatakse vedrude, membraanide, sädet mitte andvate tööriistade jm. valmistamiseks. [9] 4.3 Vaseniklisulamid Vaseniklisulamid   on   tugevad   ja   plastsed   ning   suurepärase   korrosioonikindlusega   ja   heade elektriliste omadustega. Korrosioonikindlad vaseniklisulamid mis sisaldavad ca 30% Ni ja vähesel määral Fe ning Mn on väga püsivad merevees. [9] Melhior on vase ja nikli (kuni 30%) sulam, mis sisaldab 1% piires mangaani ja 0,8% rauda. Väliselt sarnaneb   hõbedaga.   Melhioril   on   suur   korrosioonikindlus.   Sellest   valmistatakse   soojusvahetite detaile, nõusid, münte, arstiriistu, ehteid jne. [9] Konstantaan on vaseniklisulam (55% Cu, 45% Ni) mille joonpaisumistegur on nullilähedane, samas elektrieritakistus   aga   maksimaalne.   Väga   väike   joonpaisumistegur   peaaegu   ei   muutu   kuni temperatuurini 500 °C. Konstantaani kasutatakse elektri ja täppisseadmeis, kus esinevad suured temperatuurikõikumised. [9] 4.4 Vaseniklitsingisulamid Uushõbe e. alpaka on hõbedase värvusega sulam mis koosneb 45-75% Cu, 10-20% Ni ja 20-35% Zn. Uushõbe on väga plastne sulam ja ei korrodeeru õhus. Uushõbeda põhiline kasutusvaldkond on juveelitööstus. [9] 9


5 KASUTUSVALDKOND Vase   peamised   kasutusalad   on   elektritööstus   (60%),   ehitus   (20%)   ning   masinatööstus   (15%). Väikest   osa   vasest   kasutatakse   toidulisandite   ja   fungitsiidide   valmistamiseks   põllumajanduses. Enamuses kasutatakse vaske puhta metallina, kuid kui on vaja suuremat kõvadust, lisatakse seda sellistesse sulamitesse nagu messing ja pronks. Vaske saab küll töödelda, kuid keerukamate osade loomisel eelistatakse selle sulameid. [10] Vasktraati kasutatakse elektri ja elektroonika tööstuses kuna sellel on palju kasulikke omadusi, nagu kõrge elektrijuhtivus, tõmbetugevus, plastilisus, deformatsioonikindlus, korrosioonikindlus, madal soojuspaisumine,   kõrge   soojusjuhtivus,   jootmise   lihtsus,   vormitavus.   ja   paigaldamise   lihtsus. Elektrijuhtmestik on vasetööstuse kõige olulisem turg. See hõlmab struktuurset toitejuhtmestikku, toitejaotuskaablit, seadme juhet, sidekaablit, autojuhet ja -kaablit ning magnetjuhet. Ligikaudu pool kogu kaevandatavast vasest kasutatakse elektrijuhtmete ja kaablite valmistamiseks. [10] Taastuvenergiasüsteemides   kasutatakse   vaske   keskmiselt   kuni   viis   korda   rohkem   kui traditsioonilises elektritootmises. Vaske kasutavad elektrisüsteemid toodavad ja edastavad energiat suure tõhususega ja minimaalse keskkonnamõjuga. [10] Vasesulameid   kasutatakse   masina-,   auto-,   ja   traktoritööstuses   ning   keemiaaparatuuri valmistamiseks. Hea mehaanilise vastupidavuse ja töödeldavuse tõttu kasutatakse vaske vasktorude valmistamisel, milles transporditakse gaase ja vedelikke. Ka juveelide valmistamisel kasutatakse vaske, näiteks lisatakse seda kullale, et kuld oleks palju vastupidavam ja paremini töödeldav, sest puhas kuld on väga pehme metall ja ei talu mehaanilist töötlemist. [2] 10


6 KOKKUVÕTE Ajaloos oli vask oluline ressurss Roomlastele, Kreeklastele ja teistele iidsetele rahvastele. Vask oli kõige ihaldatum metall peale kulda ja hõbedat. [10] Ka tänapäeval on vask laialt  levinud ja hinnaline  metall,  mille väärtus on pidevas kasvamises. Vaske   kaevandatakse,   aga   töödeldakse   ka   palju   ümber.   Toorme   füüsikalised   omadused võimaldavad seda hästi töödelda. Võimalusi selle metalli kasutamiseks on väga erinevaid ning need on kasutusel igapäevases elus. Uurides vase tulevikku ehk kas loodusvara jätkub. Selgus kurb tõsiasi, et seoses rohepöördega on oodata   pakkumise   –   nõudluse   puudujääki   4,5   miljonit   tonni.   Elektrisõidukid   nõuavad   4   korda rohkem   vaske   kui   bensiinimootorid.   Taastuvenergiasüsteemid   võivad   vajada   12   korda   rohkem vaske. [11] 11


VIIDATUD ALLIKAD [1] „Copper   in   Antiquity   -  World   History   Encyclopedia“.   https://www.worldhistory.org/copper/ (vaadatud 12. november 2022). [2] „Vask“, Vikipeedia. 1. juuli 2022. Vaadatud: 12. november 2022. [Online]. Available at: https:// et.wikipedia.org/w/index.php?title=Vask&oldid=6142054 [3] C. C. P. LIBRARY, „Copper, atomic structure - Stock Image - C018/3710“,  Science Photo Library. https://www.sciencephoto.com/media/553891/view/copper-atomic-structure (vaadatud 12. november 2022). [4] L. D. P. LIBRARY, „Copper crystal structure - Stock Image - A632/0046“,  Science Photo Library.   https://www.sciencephoto.com/media/9050/view/copper-crystal-structure   (vaadatud 12. november 2022). [5] „Properties   of   Copper   -   Matmatch“.   https://matmatch.com/learn/material/copper-properties (vaadatud 12. november 2022). [6] „Copper   Mining   and   Processing:   Processing   Copper   Ores“,  Superfund,   13.   juuli   2020. https://superfund.arizona.edu/resources/learning-modules-english/copper-mining-and- processing/processing-copper-ores (vaadatud 12. november 2022). [7] „Manufacturing   Process   of   Copper“,  ThoughtCo.   https://www.thoughtco.com/copper- production-2340114 (vaadatud 12. november 2022). [8] „Copper Processing | Multotec“. https://www.multotec.com/en/copper-processing (vaadatud 12. november 2022). [9] A.   Johanson,   „Tehnikaõpetus-I.pdf“,   2009. https://etselts.ee/wp-content/uploads/2016/08/Tehnika%c3%b5petus-I.pdf   (vaadatud   12. november 2022). [10] „Copper“, Wikipedia. 5. november 2022. Vaadatud: 12. november 2022. [Online]. Available at: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Copper&oldid=1120168704 [11] „‘There is not enough copper supply out there to get us beyond the next five years’ - Critical Resource“.   https://www.c-resource.com/2022/03/02/there-is-not-enough-copper-supply-out- there-to-get-us-beyond-the-next-five-years/ (vaadatud 12. november 2022). 12

Document Outline

• 1 vase ehitus ja struktuur
• 2 Vase omadusEd
• 3 Vase tootmine
  • 3.1 Vaskoksiidist (CuO)
  • 3.2 Sulfiidist
• 4 Tuntumad sulamid
  • 4.1 Messingid ehk valgevased
  • 4.2 Pronksid
  • 4.3 Vaseniklisulamid
  • 4.4 Vaseniklitsingisulamid
• 5 Kasutusvaldkond
• 6 Kokkuvõte
• viidatud allikad