Sadržaj 1.0 Opšta svojstva bakra [3] 2.0 Rude bakra i postupci njihove prerade [5] 2.1
Flotaciono obogaćivanje ruda [6]
2.2
Dobijanje bakarnog kamena [7]
2.3
Dobijanje sirovog bakra [9]
2.4
Rafinacija bakra [10] 2.4.1 Pirometalurška rafinacija bakra [10] 2.4.2 Elektrolitička rafinacija bakra [11]
3.0 Upotreba bakra [12] 4.0 Legure bakra [13] 5.0 Označavanje i klasifikacija legura bakra [15] 5.1
Legure bakra sa cinkom [15] 5.1.1 Legure bakra sa cinkom i legure bakra sa cinkom i olovom (mesing) [15] 5.1.2 Legure bakra sa cinkom koje, osim cinka, sadrže jedan ili više legirajućih elemenata (specijani mesing) [16] 5.1.3 Legure bakra sa kalajem i cinkom (crveni liv) [17]
5.2
Legure bakra bez cinka (bronze) [17] 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4
Legure bakra sa kalajem (kalajna bronza) [17] Legure bakra sa aluminijumom (alum. bronza) [18] Legure bakra sa niklom (niklova bronza) [18] Legure bakra sa olovom i kalajem (olovno-kalajna bronza) [18] 5.2.5 Legure bakra sa berilijumom (berilijumska bronza) [19]
5.3
Legure bakra za brodogradnju [19] 5.3.1 Legure bakra za gnječenje [19] 5.3.2 Legure za livenje [20] 5.3.3 Legure bakra za livenje propelera [20]
Literatura [23]
1.0 Opšta svojstva bakra
Bakar (Cu) je element koji pripada prvoj grupi Periodnog sistema sa atomskim brojem 29 i atomskom masom 63,54. Gustina čistog bakra iznosi 8,93 g/cm3. Kristališe po površinski centriranoj kubnoj rešetki. Posle zlata i srebra ima najveću električnu provodljivost (58 m/omegamm2). Toplotna provodljivost bakra je šest puta veća od provodljiivosti
železa,
odnosno
dva
puta
veća
od
provodljivosti
aluminijuma.
Temperatura topljenja čistog bakra iznosu 1083C. Osobine tehnički čistog bakra zavise od njegove čistoće i sadržaja gasova u njemu. Štetnim primesama se smatraju antimon , sumpor, selen, telur, bizmut, vodonik i kiseonik, koji snižavaju električnu provodljivost bakra. Bakar (Cu) je jedan od najstarijih metala. U prirodi se može nači i u čistom stanju ali se za tehničku primenu proizvodi iz njegovih legura. Ljudi su ga počeli odavno koristiti jer se u prirodi nalazio u samorodnom stanju, tako da je bila moguća izrada ukrasnih predmeta ili najjednostavnijih oruđa. Danas se samorodni bakar retko sreće pa se metal dobija iz ruda koje sadrže 1-2% pa i manje bakra. Najvažnije osobine bakra, koje mu obezbeđuju širku primenu, jesu dobra električna i toplotna provodljivost, visoka plastičnost i mogućnost dobijanja legura sa dobrim mehaničkim osobinama. Tačka topljenja mu je na 1083°C, a ključanja 2360°C. Zatezna jačina mu je 200Mpa. Bakar je crvenkaste boje (tečan bakar je svetlozelene boje), zapreminske mase 8,9 kg/dm3. Topi se na 1083C. Kristališe u površinsko-centriranu kubnu rešetku. Posle srebra, najbolji je provodnik toplotne i električne energije. Električnu provodljivost znatno mu smanjuje i vrlo mali procenat primesa. Tako, na primer, 0,1% fosfora smanjuje električnu vidljivost bakra za 50% a 0,1% silicijuma za 63%. Mehanička svojstva bakra dosta su skromna. Čvrstoća i tvrdoća zavise mu od načina i stepena prerade. Zatezna čvrstoća livenog bakra je 140-190N/mm2, toplo valjanog 200240 N/mm2 a hladno deformisanog (vučenog) do 480 N/mm2. Tvrdoća žarenog bakra je 40 HB a hladno deformisanog do 100HB. Vrlo je žilav, ima malu granicu elastičnosti i veliko relativno izduženje (30-40%). Pri hladnoj deformaciji, povećanjem tvrdoće i čvrstoće smanji mu se izduženje. Zagrevanjem do 550C i hlađenjem u vodi gubi povećanu tvrdoću a povećava mu se izduženje.
3
Bakar se veoma dobro plastično deformiše i u hladnom i u toplom stanju. Zbog velikih izduženja može se izvlačiti u vrlo tanke žice i valjati u tanke limove debljine do 0,003 mm. Dobro se meko i tvrdo lemi a teže zavaruje zbog brze oksidacije i dobre provodljivosti toplote. Slabije se obrađuje skidanjem strugotine jer se zbog mekoće i žilavosti čupa iz površine i lepi za oštricu pa se ne može dobiti glatka površina obrađenog predmeta. Nepogodan je za livenje jer upija gasove što dovodi do stvaranja šupljina i krtih mesta. U hemijskom pogledu, bakar je otporan na delovanje vazduha i vode. Kada se duže nalazi na vazduhu, prevlači se zelenim slojem bazičnog karbonata (CuCO3Cu(OH)2), koji se zove patina a koji ga štiti od daljeg razaranja. Bakar je neotporan prema delovanju kiselina i gasova koje sadrže sumpor. Sa organskim kiselinama stvara otrovna jedinjenja pa se bakarni sudovi koji se koriste u domaćinstvu moraju prevući slojem kalaja (kalajisati). Bakar vrlo brzo oksidiše, što otežava zavarivanje i zahteva čišćenje kod lemljenja. Na povišenim temperaturama dolazi do difuzije vodonika u bakar. Sa prisutnim oksidom bakra, vodonik stvara vodenu paru Cu2O + H2 ->2Cu + H2 koja izaziva pukotine i šupljine (vodonikova bolest). Bakar je značajan inženjerskii materijal i mnogo se koristi u nelegiranom stanju kao i u kombinaciji sa drugim metalima u legiranom obliku. U nelegiranom obliku, bakar ima izuzetnu kombinaciju svojstava za industrijske primene. Neka od ovih svojstava su velika električna i termička provodnost, dobra otpornost prema koroziji, laka obrada deformisanjem, srednja vrednost zatezne čvrstoće, svojstva u žarenom stanju koja se mogu regulisati, i uopšteno dobre karakteristike mekog lemljenja i spajanja. Veće čvrstoće se postižu u nizu legura mesinga i bronzii koje su neophodne za mnoge inženjerske primene.
4
2.0 Rude bakra i postupci njihove prerade
Pretežna količina bakra se dobija iz ruda koje sadrže sulfide bakra i železa. Koncentrati bakarsulfida koji se dobijaju iz malo kvalitetnih ruda se tope u visokim ili plamenim pećima radi proizvodnje bakrovog kamenca (bakrenca) koji je kombinacija bakarsulfida (Cu2S) i železosulfida (FeS) i koji se odvaja od troske (nekorisnog materijala). Bakar-sulfid u bakarnom kamencu se zatim hemijski prevodi u sirovo ili blister-bakar (98%Cu) duvanjem vazduha kroz bakrov kamenac. U ovoj operaciji prvo se oksidiše železosulfid i prevodi u trosku. Kasnije se većina nečistoća u blister-bakru uklanja u plamenim pećima za rafinaciju i to u obliku troske. Ovom plamenom rafinacijom dobija se bakar koji se naziva topionički žilavi bakar ili topionički bakar, te iako se može koristiti za neke primene, većina topioničkog bakra se dalje elektrolitički rafiniše radi proizvodnje 99,95% elektrolitičkog žilavog bakra (ETP) ili kiseoničkog bakra. Glavni izvor za dobijanje bakra jesu sulfidne rude koje sadrze halkopirit CuFeS2, halkozin Cu5 i bornit 5Cu2.Fe2S3. U ovim rudama obicno ima mnogo pirita (FeS2), kao i sulfida raznih obojenih metala. U rudama se cesto nalaze Zn, Pb, Ni, Mo a cesto Ag i Au. Na drugo mesto po znacaju dolaze oksidne rude bakra koje sadrze kuprit Cu2O, azurit 2CuCO3, Cu (OH)2 i redje malahit CuCO3, Cu (OH)2. Ponekad se srecu mesane sulfidno-oksidne rude bakra. Zbog niskog sadrzaja bakra u rudi (1-2%) ona se podvrgava obogacivanju postupkom flotacije cime se odvojeno dobijaju bakarni koncentrat sa 10-35% bakra i cinkani ili piritni koncentrat. Bakarne rude su siromašne bakrom pa se prerađuju samo one koje ga sadrže više od 0,6%. U našoj zemlji rudnici bakra nalaze se u Boru, Majdanpeku i Krivelju. Bakar se izdvaja iz ruda razlicitim postupcija. Postupak prozvodnje bakra je vrlo složen i odvija se u nekoliko faza da bi se na kraju elektroliyom dobio čist bakar. Na tržište bakar dolazi u obliku ploča, limova, šipki, cevi i žice. Kod nas se bakar proizvodi u Boru a prerada topioničarskog i elektrolitičkog bakra vrši se u Svetozarevu, Sevojnu i Novom Sadu. Za dobijanje bakra koriste se pirometalurski postupci (koji ukljucuju dobijanje bakarnog kamena) a takodje neke rude se uspesno preradjuju hidrometalurskim postupcima kao sto je ekstrakcija sa sumpornom kiselinom. Pirometalurski postupak je najrasprostranjeniji. Prvi deo postupka, do dobijanja bakarnog kamena, moze se izvoditi u razlicitim tehnoloskim varijantama.
5
Uprošćena šema dobijanja bakra iz sulfidnih ruda sastoji se iz sledećih operacija: -
obogaćivanje rude flotacijom radi dobijanja koncentrata koji sadrži 20-25% bakra
-
delimičnog prženja i topljenja u plamenim pećima pri čemu se dobija bakrenac sa oko 30-40% bakra
-
produvavanja bakrenca u konvertoru radi dobijanja bakra čistoće 97-98,5%
-
rafinacije u plamenim pećima (rafinisani bakar) oksidacionih postupkom (topionički bakar) ili elektrolizom (elektrolitički bakar).
2.1 Flotaciono obogaćivanje ruda Flotacija se retko koristi za obogacivanje zeleznih ruda, a obicno se primenjuju pri obogacivanju siromasnih ruda obojenih metala. Medjutim, ona se obavezno primenjuje kod obogacivanja kompleksnih ruda, koje sadrze nekoliko obojenih metala. Medju njima i na sulfidne rude bakra koje sadrze oko 1% Cu. Sustina floacije se sastoji u selektivnom lepljenju pojedinih mineralnih cestica (lebdecih u vodenoj sredini) na povrsini vazdusnih mehurova koji podizucestice na povrsinu. Kroz pulpu (gustu mesavinu tecnosti i sicusnih cvrstih cestica) propustaju se mehurici vazduha. Usled razlicite kvasljivosti, cestice jednog minerala koje voda lose kvasi (ili druga tecnost u kojoj se vrsi obogacivanje) vezuju se za mehurice vazduha i podizuci se sa njima na povrsinu stvaraju mineralizovanu penu, cime se odvajaju od cestica onih minerala koji se dobro kvase i koji ostaju u pulpi. Da bi se obogacivanje uspesno ostvarilo, neophodnoje: a) rudu sitno samleti (-0,1), sto omogucuje da se dobiju cestice rude koje se sastoje samo od jednog minerala a ne iz nekoliko b) dobiti u pulpi mnostvo mehurica vazduha i ostvariti uslove za stvaranje stabilne pene na povrsini pulpe Za flotaciono obogacivanje koristi se niz kompleksnih masina koje dozvoljavaju brzo i visestruko ponavljanje procesa flotacije a isto tako i koriscenje vise razlicitih flotacionih reagenasa cijim se uvodjenjem u pulpu pojacavaju ili slabe neke njene fizicke osobine. Postoje sledeci flotacioni reagensi: penusavci i kolektori (sabiraci). Penusavi stabilisu mehurice pene ada ne prskaju i da ne srastaju. Kolektori smanjuju kvasljivost odredjene grupe minerala sa vodom i tako olaksavanju njihovo vezivanje za mehurice vazduha. Kao kolektori se koriste slozena organska jedinjenja. Pri flotaciji se cesto
6
koriste i tzv. Depresori koji sprecavaju dejstvo kolektora na neke minerale. Kao depresori sluze neorganski elektroliti (NaCN, Cao). Potrosnja flotacionih reagenasa iznosi 50-300g po toni rude. Za flotaciono obogacivanje ruda koriste se razlicite masine, kao: -
za usitnjavanje rude – drobilice i mlinovi
-
za razdvajanje – klasifikatori
-
uredjaju za razlaganje pulpe na tecnost i cvrste cestice – zgusnjivaci, filteri i flotacione masine U masinu se kroz bocnu cev neprekidno dodaje pulpa koja se sastoji iz vode,
sitnih cestica rude i flotacionih reagenasa. Kroz cev se odozgo uvlaci vazduh pomocu brzo rotirajuceg propelera (300-600 o/min). Pulpa u mesavini sa mehuricima vazduha cirkulise u masini, pri cemu se stvara pena koja se skuplja u gornjem desnom delu masine odakle se odvodi iz masine pomocu sporovrtece mesalice. Preostala pulpa se preliva kroz otvor u bocnom delu masine u susednu flotacionu masinu, kojih ima od 4-20 u nizu. Praskasti bakarni koncentrat dobijen flotacionim obogacivanjem sadrzi 11-35% bakra, 15-35% sumpora, 15-37% zeleza i malo Si, Al203, Cao, Zn i Ni.
2.2 Dobijanje bakarnog kamena Kamen je intermedijarni produkt pri dobijanju nekih obojenih metala iz njihovih ruda. To je ustvari legura FeS sa sulfidom metala koji se zeli dobiti. Dobijanje bakarnog kamena je najvaznija operacija prerade bakarne rude. Bakarni kamen se stvara pri topljenju bakare rude a sastoji se pretezno od sulfida bakra i zeleza (80-90%) a ostalo su sulfidi Zn, Pb, Ni a takodje oksidi Fe, Si, Al koji se izdvajaju sa troskom a samo delimicno se rastvaraju u kamenu. Tecan bakarni kamen dobro rastvara zlato i srebro ukoliko su prisutni u rudi. Cilj operacije dobijanja bakarnog kamena jeste odvajanje jedinjenja bakra i zeleza od primesa sadrzanih u rudi. Dobijeni kamen ne sme da sadrzi ni suvise malo bakra jer onda proces u celini postaje nerentabilan a takodje ni veoma mnogo bakra jer onda znacajna kolicina gubi u troski. Zavisno od hemijskog sastava rude i njenog fizickog stanja, kamen se dobija ili u sahtnim pecima (ako je ruda komadasta i sa mnogo sumpora) ili u jamastim ili elektrolucnim pecima (ukoliko je polazna sirovina praskasti flotacioni koncentrat). Ako
7
koncentrati sadrze vise sumpora nego sto je neophodno za dobijanje normalnog kamena, onda se prethodnim przenjem oksidise visak sumpora ili se koncentratu dodaje oksidna bakarna ruda. Reakcije pri przenju: 2 CuFeS2 = Cu2S + 2 FeS + S 2 FeS2 = 2 FeS + 2 S Sumpor se przenjem oksidise do SO2, koji se hvata i upotrebljava za proizvodnju sumporne kiseline. Temperatura topljenja u jamastim pećima kreće se od minimalne 1250-1300°C, pri čemu se kao gorivo koriste mazut, ugljena prasina ili prirodni gas. Tokom topljenja dolazi do reakcije delimicne redukcije visih oksida zeleza i bakra, oksidacije sumpora i obrazovanja troske: FeS + 3 Fe3O4 + 5 SiO2 = 5 (2FeO.SiO2) + SO2 Sulfidi bakra i zeleza topeci se daju primarni kamen, pri cemu se odigravaju reakcije putem kojih se rastop obogacuje sa bakrom a osiromasuje u zelezu: 2 FeS + 2 Cu2O + SiO2 = 2FeO.SiO2 (troska) – 2 Cu2S (kamen) Uporedo sa ovim odigravaju se i druge reakcije: 2 Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 ili Cu2S + 2O2 = 2CuO + So2 Gustina bakarnog kamena iznosi oko 5 g/cm, a troske oko 3,5 g/cm3 pa s zato bakarni kamen skuplja na dnu a troska u gornjem sloju u peci. Kamen sadrzi 23-28% sumpora, 16-60% bakra i 50-15% železa. Sastav troske se menja u širokim granicama, ali njene glavne komponente su SiO2 (45-30%) i FeO (25-45%). Za dobijanje bakarnog kamena upotrebljava se jamasta peć čije su dimenzije: dužina 35-40 m, širina 7-10 m, a visina 3,5-4,5 m, dok se kapacitet kreće u granicama do oko 1500 tona za 24 časa. Obloga peći se podešava u zavisnosti od toga da li u mešavini za topljenje preovlađuju kiseli ili bazni oksidi. Tako je ozid za svod i zidove izrađen od silika ili magnezitnih opeka, a pod se prekriva kvarcnim peskom koji se pre prve upotrebe peći stapa u gustu masu.
8
2.3 Dobijanje sirovog bakra Za dobijanje bakra iz kamena počeo se krajem XIX veka (1886.) koristiti konvertor.Bakar se dobija u specijalnom konvertoru, putem produvavanja vazduha kroz stopljeni bakarni kamen. Najčešće su u upotrebi cilindrični ili bubnjasti konvertori spoljnjeg prečnika 2,3-4 m i dužine 4,5-10 m. Najveći konvertori imaju kapacitet do 100 tona bakra po jednom ciklusu. Oblažu se magnezitnim i hrommagnezitnim opekama. Vazduh se uduvava kroz niz otvora raspoređenih duž cilindričnog plašta konvertora. Cilindar se oslanja sa dva svoja bandaža na četiri para valjaka, koji mu omogućuju postavljanje pod uglom koji je neophodan za ulivanje bakarnog kamena i za izlivanje produkata topljenja. Proces prerade bakarnog kamena u konvertoru odvija se u dve faze. U konvertor se prvo dozira komadasti kvarc, na koji se uliva rastopljeni bakarni kamen, pa se zatim produvava sa vazduhom, koji energično mešajući bakarni kamen oksidiše sulfide bakra i železa: 2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 940.000 J 2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 775.000 J Pri tome kupro oksid (Cu2O) reaguje se FeS i ponovo prelazi u sulfid: Cu2O + FeS = Cu2S + FeO Tako se u prvoj fazi praktično odigrava jedino oksidacija železa i prelazak fero-oksida u trosku: 2FeO + SiO2 = 2FeO . SiO2 Stvorena troska se periodično ispušta iz konvertora, a dodaju se sveže količine bakarnog kamena i komadastog kvarca. Temperatura bakarnog kamena pri ulivanju u konvertor iznosi oko 1200°C, a tokom duvanja vazduha, usled velikog izdvajanja toplote pri oksidaciji sulfida, temperatura se povećava do 1350°C. Trajanje prve faze zavisi od količine bakra u bakarnom kamenu i iznosi 6-20 časova. Prva faza se završava kada je u bakarnom kamenu oksidisan celokupan FeS. Posle toga se pažljivo odvaja troska i produžava se duvanje bez dodavanja bakarnog kamena ili kvarca. Ovim započinje druga faza, u kojoj se odvija oksidacija belog bakarnog kamena (Cu2S) do kupro oksida (Cu2O) koji reagovanjem sa Cu2S omogućuje pojavu metalnog bakra: Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2
9
Druga faza se završava kada se sav beli bakarni kamen u konvertoru pretvori u bakar, što se obično odigrava u toku 2-3 časa. U drugoj fazi rada konvertora obrazuje se mala količina troske bogate sa bakrom, koja ostaje u njemu posle izlivanja sirovog bakra, a prerađuje se u sledećem ciklusu. Konvertorska troska iz prve faze de na preradu u jamastu peć. Konvertorski gasovi sadrže 12-17% SO2. Oni se pažljivo sakupljaju i posle odvajanja prašine, koriste se za dobijanje sumporne kiseline. Po završetku konvertorskog procesa, sirovi bakar se naginjanjem konvertora izliva u lonac, odakle se lije u metalne kalupe. Bakar dobijen u konvertoru zove se sirovi ili crni bakar, jer još uvek sadrži 1-2% primesa i to: Fe, Zn, Ni, As, Sb, O i S i druge primese, a takođe rastvorene plemenite metale (do 3%).
2.4 Rafinacija bakra Sirovi bakar se uvek podvrgava rafinaciji radi izdvajanja primesa, koje mu pogoršavaju osobine, a takođe radi izdvajanja plemenitih metala, kao što su zlato i srebro. U savremenoj praksi rafinacija se izvodi naizmenično pomoću dva u principu različita postupka: pirometalurškog i elektrolitičkog.
2.4.1 Pirometalurška rafinacija bakra Plamena ili pirometalurška rafinacija bakra izvodi se u jamastim pećima. Za razliku od jamastih peći za dobijanje bakarnog kamena, ove peći su manjih dimenzija (širina 5 m, dužina 12-15 m i dubina 9 m.) U ove peći može da stane oko 400 tona bakra. Kada peći se oblaže sa silika ili magnezitnim opekama, a svod sa silika opekama. Peć se zagreva sa mazutom, gasom ili ugljenom prašinom. Čitav ciklus plamene rafinacije sastoji se od sledećih operacija: punjenja, topljenja, oksidacije primesa, udaljavanja rastvorenih gasova, dezoksidacije bakra i livenja, za što je potrebno 12-16 h. Ako se rafinacija vrši u istoj fabrici gde se proizvodi i sirovi bakar, onda se peć za rafinaciju puni sa tečnim metalom, čime se trajanje rafinacije znatno smanjuje. Oksidacija primesa u sirovom bakru vrši se vazduhom, koji se uduvava kroz čeličnu cev prečnika 20-40 mm. Ova cev je obložena sa vatrostalnim materijalom i uronjena u vatrostalni bakar. Oksidacija se odvija na površini vazdušnih mehurića. Pošto je brzina oksidacije proporcionalna koncentraciji metala u kadi, najbrže će se oksidisati bakar: 4Cu + O2 = 2Cu2O
10
Kupro-oksid se rastvara u rastopljenom bakru do 10% i zahvaljujući mešanju sa vazduhom brzo se rasprostire po čitavoj zapremini kade, pa se oksidacija primesa uglavnom dešava posredstvom kupro-oksida po opštoj reakciji: Me + Cu2O = MeO + 2Cu gde se sa Me označavaju sve metalne primese. Oksidi primesa isplivavaju na površinu metala i stvaraju trosku, čije brzo odvajanje doprinosi dubljoj rafinaciji. Na taj način se odstranjuje glavni deo takvih primesa, kao: Al, Si, Mr, Zn, Sn, Fe, Ni, Pb, S i delimično Sb, As i Bi. U bakru ostaju neoksidisani zlato i srebro, a takođe i selen i telur. Da bi se iz bakra odstranili rastvoreni gasovi, u kadu sa metalom se potapaju drvene oblice, iz kojih se pri tome izdvajaju gasoviti ugljovodonici. Oni burno mešaju bakar i odstranjuju iz njega sumpor i druge gasove. Neke fabrike koriste umesto drveta prirodni gas, smešu pare i mazuta ili druga gasovita sredstva za redukciju, koja su odpadak u nekoj drugoj proizvodnji. Posle udaljavanja gasova, za dobijanje plastičnog bakra vrši se dezoksidacija, pošto sadrži Cu2O u metalu posle oksidacije dostiže 12%. Kao dezoksidansi služe gasoviti ugljovodonici koji se uduvavaju u metal kroz posebnu metalnu cev. Proces se odvija po reakciji: 4Cu2O + CH4 = CO2 + 2H2O + 8Cu. Troske dobijene pri rafinaciji sadrže 5-40% SiO2, 5-10% Fe, 35-45% Cu, uglavnom u obliku oksida. Osim njih u troski mogu biti ZnO, NiO i druge primese. Posle plamene rafinacije bakar se lije u kvadratne ploče sa ušicima, debljine 40-50 mm i po metar dužine i širine ( masa 250-320 kg).Ove ploče se koriste kao anode za elektrolitičku rafinaciju bakra, jer njihova čistoća od 99,8% Cu, nije dovoljna za potrebe elektrotehnike. Bakar ove čistoće može se prerađivati u limove, cevi, čaure, livene predmete i drugo.
2.4.2 Elektrolitička rafinacija bakra Elektrolitička rafinacija bakra vrši se u kadama napunjenim rastvorom bakar sulfata, koji je zakišenjen sa sumpornom kiselinom. U kadama dužine 3-5 m, širine 1,01,1 m i dubine 1,0-1,3 m, postavljeno je 45 katoda i 44 anode. Kade se prave od betona ili drveta, a zidivi su obloženi plastikom, olovom ili drugim kiselootpornim materijalom. Anode se poveziju sa pozitivnim polom izvora jednosmerne struje. Paralelno svakoj anodi postavlja se osnova katode, koju čine tanki listovi (0,2-0,3 mm) elektrolitičkog bakra. Katode su obično šire i duže od anode. Pri elektrolizi bakar iz anode prelazi u rastvor; Cu = Cu2 + 2e. Na katodi se joni bakra redukuju po reakciji; Cu2 + 2e = Cu, gradeći pri tome guste kristale na katodnoj
11
osnovi. Primese koje imaju negativniji potencijal od bakra Yn, Fe, Bi, Ni, Sn, Sb, As, i druge, prelaze u rastvor ali se ne izdvajaju na katodi sve dok je u rastvoru prisutna značajna količina jona bakra. Zlato i srebro ne prelaze u rastvor vec se talože na dnu kade zajedno sa teškorastvorljivim jedinjenjima Sb. As, S, Se i Te obrazujući anodni mulj. Napon između anode i katode iznosi 0,3 V, pri gustini struje 150-250 A/m2 a elektrolit sadrži30-40g/lit bakra i oko 200 g/lit H2SO4. Temperatura elektrolita se održava u granicama 50-55°C. Potrošnja električne energije je 230-240 kwh/t. Elektrolit u kadama neprekidno cirkuliše prelivajući se iz jedne kade u drugu i periodično se prečišćava od nakupljenih primesa. Rastvaranje anode traje 25-30 dana, zavisno od njihove mase i uslova elektrolize. Ostaci anoda koji čine 15% od njihove prvobitne težine, izvlače se i zamenjuju novim anodama. Katode se vade posle 5-12 dana da bi se izbegao kratak spoj katodnog taloga sa anodom. Mulj se periodično vadi pri čišćenju kade i dalje prerađuje radi iydvajanja korisnih komponenata. U mulju često ima 35% Ag, 14-16% Cu, 5-6% Sb, 6% Se, 3% Te i do 1% Au. Posle vađenja iz kade, katode se ispiraju sa vodom a zatim se šalju u proizvodnju legura ili se pretapaju u električnim pećima posle čega se liju u poluproizvode za valjanje, idu na kontinuirano livenje ili se liju u kokile. Elektrolitički bakar je čistoće 99,98%.
3.0 Upotreba bakra
Bakar se najviše koristi u elektrotehbici (preko 50% proizvodnje), za izradu provodnika, dinamo-mašina, elektromotora i drugih električnih uređaja. U mašinstvu se bakar upotrebljava u obliku legura (mesing, bronza i dr.). Dosta bakra troši se u brodogradnji, automobilskoj industriji, industriji šinskih vozila, hemijskoj industriji i štamparstvu. Od bakra se proizvode kotlovska ložišta i cevi, cevi ya grejače i rashladne uređaje (hladnjaci motora), zaptivači (glave motora) i različito posuđe. Koristi se za galvansku zaštitu legura gvožđa (pobakrivanje pre niklovanja i hromiranja) i za platiranje čeličnih limova. Od njega se proizvodi više hemijskih jedinjenja među koja spadaju bakarne boje i plavi kamen.
12
4.0 Legure bakra
Prema čistoći razlikuje se deset marki bakra. Marke bakra označene sa B00, B0, B1 dobijaju se elektrolitičkom rafinacijom, B2 pretapanjem otpadaka, a B3 i B4 plamenom rafinacijom bakra. U tehničkom bakru prisutne su primese Bi, Sb, As, Pb, Sn, Fe, Ni, S, O, koje g aprate pri njegovom dobijanju iz ruda i pri rafinaciji. Čist bakar ima niz važnih tehničkih osobina. Široku primenu bakra uslovili su visoka plastičnost, visoka eelektrična i
toplotna provodljivost i
otpornost prema
oksidaciji. Osim toga, bakar je osnova veoma važnih legura – mesinga i bronze. Više od 50% čistog bakra koristi se u elektrotehnici i energetici u vidu provodnika električne struje. Posle srebra, bakar je na drugom mestu po električnoj provodljivostiL 1,5.10-6om cm, odnosno 1,7.10-6om cm za bakar. Zbog toga se velike količine bakra podvrgavaju valjanju i izvlačenju žica. Čist bakar ima dobru plastičnost kako u hladnom tako i u toplom stanju. Napred navedene primese ne utiču jednako na plastičnost bakra. Toplo valjanje bakra najviše komplikuju primese bizmuta i olova koji se ne rastvaraju u čvrstom bakru, već sa njim grade lakotopljive eutektikume. Zbog toga se njihov sadržaj u najkvalitetnijim markama bakra ograničava na hiljaditi deo procenta. Na toplo valjanje negativno utiče i kiseonik ali tek pri većim koncentracijama (0,1-0,2%). Druge primese (Sn, Zn, Ni i Ag) ne pogoršavaju plastičnost bakra, kao ni druge mehaničke osobine jer u datim količinama ulaze u čtvst rastvor. Primese, kao i plastična deformacija snižavaju elktričnu provodljivost bakra. Ukoliko se od provodnika ne traži naročita jačina, koristi se odgrejani bakar. Najpoznatije i najrasprostranjenije legure bakra jesu mesing i bronza. Mesing je legura bakra sa cinkom koja ima veoma široku primenu u tehnici. U grupu mesinga ulaze tompak (više od 90%Cu, ostalo Zn) i polutompak (79-86% Cu, ostalo Zn) i mnogo drugih ne samo dvojnih već i složenijih legura. Mehanička jačina mesinga veća je od čistog bakra i on se dobro obrađuje rezanjem. Različite vrste mesinga koriste se pri izradi aparata i pribora, hemijskoj industriji i mašinogradnji. Dijagram stanja Cu-Zn pokazuje da bakar i cink grade supstitucijski čvrst rastvor pri sadržaju cinka do 39%. Najširu primenu ima mesing sa sadržajem cinka do 40%. On je plastčan, dobro se obrađuje pod pritiskom na toplo i otporan je na koroziju. Dodaci metala, kao: Sn, Pb, Fe, Mn, Ni, Si, Al itd. Povećavaju mehaničke osobine mesinga ili poboljšavaju njegovu obradljivost ili korozionu postojanost. Dodaci nikla povećavaju
13
jačinu i korozionu postojanost a dodaci olova smanjuju jačinu ali poboljšavaju obradljivost rezanjem. Veoma su poznate legure bakra sa kalajem koje se zovu bronze. Još u davna vremena od bronze su pravljeni oružje, alati, sudovi i ukrasi jer ove legure imaju veću jačinu i korozionu otpornost od čistog bakra. Zahvaljujući odličnom kvalitetu odlivaka iz ovih legura su se kasnije počele liti puške, zvona i statue. Savremene kalajne bronze retko kad sadrže više od 10% kalaja. Bronza je znatno tvrđa od bakra ali dobro ispunjava kalupe pri livenju, dobro se obra]uje i odlikuje se visokom korozionom stabilnošću. Pored upotrebe za monumentalne spomenike, bronze se koriste za izradu armatura gasnih i vodovodnih linija i u mašinogradnji. Mali koeficijent trenja i postojanost na habanje čine je nezamenljivom za mnoge upotrebe (ulošci ležajeva, vijci, zupčanici i dr.) Legure sa malim sadržajem kalaja grade alfa-čvrst rastvor. Većina sadašnjih bronzi retko sadrži više od 7% Sn i obično ima monofaznu strukturu, koja se sastoji od kristala alfa-faze. Kako je kalaj skuplji i deficitarniji od bakra, to su širu primenu počele dobijati tzv. Bezkalajne bronze. Na primer Al-bronza, Si-bronza, Be-bronza i sl. U poslednje vreme postale su poznate legure bakra i nikla (80% Cu i 20% Ni) koje se široko koriste za idradu ukrasa, stonih i čajnih sudova. Legura sa 68% Ni, 28% Cu malim dodacima Mn i Fe, poznata kao monel-metal, služi za izradu novca. Ova legura, zbog svoje visoke korozione postojanosti, dobrih mehaničkih osobina i lake obradljivosti, koristi se i za ozradu hiruških instrumenata, delova u preciznoj mašinogradnji i u finoj hemijskoj tehnologiji. Kao konstrukcioni materijal, čist bakar nema zadovoljavajuće osobine za razliku od njegovih legura. Najvažniji legirajući elementi u legurama bakra su cink, kalaj, aluminijum, berilijum, nikl, mangan, silicijum, srebro i zlato.
14
5.0 Označavanje i klasifikacija legura bakra
Prema JUS-u, legure bakra se označavaju slovnim i brojčanim simbolima. Prva slovna oznaka pripada hemijskom simbolu bakra, kao osnovnom metalu; posle nje se u nizu navode hemijski simboli legirajućih elemenata po uticajnosti i brojčane oznake koje pokazuju njihov procentualni sadržaj. Na primer: CuAl8Fe3 označava leguru bakra sa aluminijumom do 8% i železom do 3%. Legure bakra se dele na legure bakra za gnječenje i legure bakra za livenje. Najznačajnije legure bakra su mesing (CuZn37, CuZn38Pb, CuZn36Pb1), specijalni mesing (CuZn20Al, CuZn28Sn, CuZn40A11), kalajna bronza (CuSn6, CuSn6Zn), alpak (CuNi10Zn45Pb, CuNi25Zn15) (CuNi5, CuNi30Fe), aluminijumska bronza (CuAl8, CuAl8Fe). Legure bakra se dele na: -
legure bakra sa cinkom (mesinzi)
-
legure bakra bez cinka (bronze)
5.1 Legure bakra sa cinkom Legure bakra sa cinkom su dvojne, trojne ili složene legure koje pored cinka mogu biti legirane i olovom, kalajem, aluminijumom, niklom, manganom i gvožđem. Prema glavnim dodatnim elementima ove legure se dele na: -
legure bakra sa cinkom
-
legure bakra sa cinkom i olovom
-
legure bakra sa cinkom, koje osim cinka sadrže jedan ili više legirajućih elemenata
-
legure bakra sa kalajem i cinkom
-
legure bakra sa niklom i cinkom
5.1.1 Legure bakra sa cinkom i legure bakra sa cinkom i olovom (mesing) Sadrže najmanje 50% bakra, ne više od 44% cinka i do 4% olova. Legure koje sadrže do 39% cinka imaju alfa-strukturu, u kojoj su atomi cinka rastvoreni u kristalima bakra. Ova struktura se može dobro plastično oblikovati. Legure koje sadrže
15
više od 39% cinka imaju alfa-beta strukturu. U beta-kristalima atomi bakra rastvorenis u u kristalima cinka. Ova struktura je dosta krta pa se oblikuje livenjem. Mehanička svojstva ovih legura zavise od njihovog hemijskog sastava, načina i stepena prerade. Ove legure se dobro obrađuju skidanjem strugotine, mogu se lemiti, zavariti i žariti. Boje su žute. Hemijski su otporne na uticaj vazduha, vlage i vode. Na vazduhu brzo oksidišu i potamne. Kiseline ih nagrizaju a otporne su na delovanje baza. Prema načinu prerade dele se na legure za livenje i legure za gnječenje. Legure za livenje – sadrže 58% - 63% bakra, do 3% olova i ostatak cinka. Dobro se liju i obrađuju skidanjem strugotine. Zatezna čvrstoća im je od 180 do 280 N/mm2, izduženje 2 do 25% a tvrdoća 45 do 75 HB. Upotrebljavaju se za izradu armatura za vodu (slavine, ventili, pipci), okova, kućišta i delova za mašinogradnju i elektrotehniku. Legure bakra za gnječenje – sadrže 60 do 90% bakra, do 3% olova i ostatak cinka. Pogodne su za kovanje, duboko izvlačenje, istiskivanje, valjanje, presovanje, lemljenje, zavarivanje i rezanje. Hladno se mogu deforisati samo one koje sadrže do 36% cinka. Mehanička svojstva zavise im od toga da li su posle deformacije žarene ili ne. Zatezna čvrstoća im je 250 do 500 N/mm2, izduženje 5 do 45% a tvrdoća 50 do 125 HB. Koriste se za izradu: cevi, vijaka, zakovica, čahura, valjaka, kondenzatora, hladnjaka, lisnatih opruga, satnih mehanizama, okova, delova brava, armatura i instalacionih delova za elektrotehniku. Prema JUS-u C.D2.100 u ove legure, između ostalih spadaju: CuZn30.00; CuZn40.00; CuZn36Pb3.00; i CuZn39Pb2.00.
5.1.2 Legure bakra sa cinkom koje, osim cinka, sadrže jedan ili više legirajućih elemenata (specijani mesing) Ovo su složene legure koje uz bakar i cink sadrže aluminijum, nikl, mangan, gvožđe i silicijum i to pojedinačno ili u kombinaciji. Imaju bolja mehanička svojstva i veću otpornost prema koroziji od legura bakra sa cinkom i olovom. Od ovih legura izrađuju se cevi za kondenzatore i izmenjivače toplote, kućišta, klizna ležišta i vođice, pužni točkovi, armatura za visoke pritiske i delovi otporni prema morskoj vodi i koroziji. U standardne vrste ovih legura spadaju: P.CuZn25Al6Fe3Mn3.001; CuZn38Al2Mn3Ni.00.
16
5.1.3 Legure bakra sa kalajem i cinkom (crveni liv) Sadrže 4 do 8% kalaja i 2 do 6% cinka, a mogu imati i do 8% olova. Zatezna čvrstoća iznosi im od 200 do 250 N/mm2, izduženje od 10 do 20% a tvrdoća od 60 do 80 HB. Odlikuju se dobrim kliznim svojstvima pa se koriste za izradu kliznih ležišta. Od njih se proizvode i kućišta pumpi, armatura za vodu i gasove, membrane, opruge i manometarske cevi. Neke standardne vrste legura bakra sa kalajem i cinkom su K.CuSn7Pb7Zn3.02; P.CuPb5Sn5Zn5.01; N.CuPb5Sn5Zn5.04; CuSn4Zn4.
5.2 Legure bakra bez cinka (bronze) Legure bakra bez cinka su dvojne, trojne ili složene legure sa sadržajem bakra najmanje 60%. Nazivi ovih legura određuju se prema glavnim dodatnim elementima, na primer: -
legure bakra sa aluminijumom
-
legure bakra sa kalajem
-
legure bakra sa niklom
-
legure bakra sa manganom
-
legure bakra sa silicijumom
-
legure bakra sa manganom i silicijumom
-
legure bakra sa olovom
-
legure bakra sa olovom i kalajem
5.2.1 Legure bakra sa kalajem (kalajna bronza) Ovo su najstarije legure bakra i obično sadrže više od 15% kalaja. Boje su crvene. Najčešće se dezoksidišu fosforom. Ako fosfora nakon dezoksidacije ima više od 0,05% mogu se nazvati i legure bakra sa kalajem i fosforom (fosforna bronaza). Ove legure otporne su prema delovanju vode, vodene pare i morske vode. Na vazduhu se ponašaju kao bakar i prekriju se zelenom patinom. Mogu se lemiti i zavarivati. Legure bakra sa kalajem za livenje sadrže iznad 10% kalaja i otporne su na habanje. Od ovih legura se proizvode kućišta i delovi pumpi i turbina, kotlovska armatura, klizna ležišta, navrtke vretena, pužni točkovi i zupčanici.
17
Legure bakra sa kalajem za gnječenjem sadrže ispod 10% kalaja. Koriste se za spojke kablova, kontakte utikača, vijke i opruge za elektrotehniku, za manometarske cevi, klizna tela i klizne ležajeve, sita i delove za hemijsku industriju. Standardne legure bakra sa kalajem za gnječenje su: CuSn2.00; CuSn6.00; CuSn8.00.
5.2.2. Legure bakra sa aluminijumom (aluminijumska bronza) Sadrže najmanje 70% bakra i do 14% aluminijuma. Pored aluminijuma mogu sadržati i druge glavne elemente, kao što su: gvožđe, nikl, mangan ili silicijum. Ove legure imaju vecu hemijsku otpornost od svih drugih legura bakra. Otporne su prema koroziji, sumpornoj i hlorovodoničnoj kiselini, kiselim rastvorima, rastvorima raznih soli i morskoj vodi. Odlikuju se visokom čvrstoćom na povišenim temperaturama. Imaju visoku dinamičku čvrstoću. Zatezna čvrstoća iznosi im od 300 do 700 N/m2, izduženje od 10 do 15% a tvrdoća od 80 do 160 HB. Upotrebljavaju se u hemijskoj, prehrabmenoj, tekstilnoj i automobilskoj industriji, elektroindustriji, industriji rudarske opreme i brodogradnji. Od njih se proizvode: zupčanici, zupčaste letve, pužni i frikcioni točkovi, armatura za paru i kiseline, kočnice, cevi za izmenjivače toplote, klizna ležišta, kućišta, brodski propeleri i slično. U standardne legure bakra sa aluminijumom za livenje, između ostalih spadaju P.CuAl9.01; K.CuAl10Fe3.02; N.CuAl10Fe5Ni5.04. Neke standardne vrste za gnječenje su: CuAl5.00; CuAl8Fe3.00; CuAl9Mn2.00.
5.2.3 Legure bakra sa niklom (niklova bronza) Sadrže do 45% nikla a mogu imati i izvesne količine sporednih dodatnik elemenata kao što su mangan i gvožđe. Prerađuju se uglavnom gnječenjem. Imaju dobra mehanička svojstva. Mogu se zavariti i lemiti. Otporne su na delovanje morske vode. Od ovih legura izrađuju se rebraste cevi i cevi za izmenjivače toplote, pregrejači vode, hladnjaci, klima-uređajim, kovani novac, lamele kvačila i delovi za elektrotehniku. Neke standardne vrste ovih legura su: CuNi20.00; CuNi44Mn.00; CuNi10Fe1Mn.00.
5.2.4 Legure bakra sa olovom i kalajem (olovno-kalajna bronza) Sadrže najmanje 60% bakra, do 28% olova, do 10% kalaja i izvesne količine sporednih dodatnih elemenata kao što su nikl i cink. Ove legure su uglavnom legure za livenje. Imaju dobra klizna svojstva i otporne su na habanje. Hemijski su postojane prema koroziji, pari, sumpornoj i hlorovodoničnoj kiselini. Koriste se za klizna ležišta sa
18
većim specifičnim pritiskom, za ležišta vozila i valjaka, za mazalice i za armaturu za kiseline. Neke standardne vrste ovih legura su P.CuPb10Sn10.01; K.CuPb9Sn5.02; C.CuPb5Sn8.03; N.CuPb20Sn5.04.
5.2.5 Legure bakra sa berilijumom (berilijumska bronza) Sadrže 1,5 do 2,5% berilijuma. Ove legure nakon termičke obrade (kaljenja sa visokim otpuštanjem) dobiju zateznu čvrstoću od 1350 N/mm2 i tvrdoću od 400 HB tako da dostižu mehanička svojstva čelika. Odlikuju se time fa pri udaru ne stvaraju varnice. Zbog ovih svojstava koriste se za izradu alata za rad u uslovima gde postoji opasnost od lake zapaljivosti i eksplozije (čekići, sekači i ključevi za rad u rudnicima, tankerima, rafinerijama nafte i fabrikama eksploziva). Od ovih legura izrađuju se opruge, elektrode za zavarivanje i delovi za elektrotehniku. Ove legure nisu standardizovane po JUS-u.
5.3 Legure bakra za brodogradnju Legure bakra imaju široku primenu u brodogradnji. Jugoregistar brodova razvrstava legure u tri osnovne grupe: -
legure bakra za gnječenje
-
legure bakra ze livenje
-
legure bakra za propelere
5.3.1 Legure bakra za gnječenje Klasificirane su u trinaest kategorija. Za svaku kategoriju propisani su hemijski sastav, stanje isporuke, mehanička svojstva, način ispitivanja i primena. Sadržaj bakra u ovim legurama iznosi od 55 do 99,5%, cinka od 20 do 35%, nikla od 9 do 30%, aluminijuma od 2 do 11% , mangana i gvožđa di 2% i drugih primesa u malim ali tačno određenim količinama. Zatezna čvrstoća legura za gnječenje iznosi od 200 do 590 N/mm2, granica tečenja od 100 do 245 N/mm2, izduženje od 10 do 40% i tvrdoća od 70 140HB, što zavisi od hemijskog sastava i stanja isporuke (meko, polutvrdo ili tvrdo). Ove legure služe za izradu limova, cevi, profila i otkovaka koji se upotrebljavaju za
19
kondenzatore, izmenjivače toplote, armature za paru i vodu, vijke, delove pumpi i druge delove otporne prema delovanju morske vode.
5.3.2 Legure za livenje Razvrstane su u deset kategorija. Sadrže 30 do 99% bakra, do 40% cinka i u stogo propisanim količinama kalaja, aluminijuma, nikla, gvožđa i mangana. Imaju zateznu čvrstoću od 150 do 590 N/mm2, relativno izduženje od 8 do 20% i tvrdoću od 60 do 140 HB. Upotrebljavaju se za kućišta, košuljice ležaja, zupčanike i pužne točkove, vijke i matice, vretena, armaturu, rotore pumpi i sitne odlivke koji moraju biti otporni na delovanje morske vode i kiselina.
5.3.3 Legure bakra za livenje propelera Izdvojene su u posebnu grupu i razvrstane u četiri kategorije. Sadrže 52 do 82% bakra i u propisanim količinama cinka, aluminijuma, mangana, nikla i gvožđa. Imaju viskoku granicu tečenja od 175 do 275 N/mm2, visoku zateznu čvrstoću od 440 do 630 N/mm2 i izduženje od 16 do 20%.
20
Literatura A. Sedmak, V. Šijački, A. Milosavljević, Mašinski materijali, Beograd, 2003. R. Lučić, Mašinski materijali, Nauka i inžinjerstvo, Beograd, 1994. R. Lučić, Mašinski materijali, Naučna knjiga, Beograd, 1995. S. Stojadinović, A. Ljevar, Poznavanje materijala, Zrenjanin, 2001. V. Đorđević, Mašinski materijali, Mašinski fakultet, Beograd, 1991. V. Stanković, Mašinski materijali sa tremičkom obradom, Viša tehnička škola u Novom Sadu, Novi Sad, 1966. http://wikipedia.com
21
