4.7. Metallide sulamid

Metallid on meie igapäevaelus asendamatud materjalid. Neist valmistatakse väga palju erinevaid tarbeesemeid alates tööriistadest ja lauanõudest kuni autode, erinevate tööstusseadmete ja konstruktsioonimaterjalideni. Ülevaate levinumatest metallidest ning nende sulamitest ja kasutamisest igapäevaelus annab järgnev video.

Allikas: https://youtu.be/CGAeWeG2Kus

Sulameid saadakse peamiste koostiselementide kokkusulatamisel. Tihti toimub see koos metalli saamise protsessiga. Metallimaagis leiduvad lisandid redutseeruvad kaasa ja jäävad seetõttu metalli koostisesse. Selliselt saadud sulamitest puhta metalli saamine on juba väga keeruline ja kallis. Sulameid saab jaotada ebaühtlasteks ja ühtlasteks sulamiteks. Ebaühtlaste sulamite korral on sulamit moodustavate metallide aatomite erinevused väga suured, seetõttu ei moodustu ühtset kristallivõret. Sellised sulamid koosnevad koostismetallide mikrokristallidest, mis on omavahel tugevalt seotud. Ebaühtlased sulamid on näiteks tina, plii, antimoni ja vismuti sulamid. Näiteks jootetina on tina ja plii ebaühtlane sulam. Ühtlased sulamid on tahked lahused. Ühtlases sulamis moodustavad sarnaste mõõtmetega metalliaatomid ühise kristallivõre. 

Sulamid võivad olla väga erinevate omadustega. Lisandite omadused ja nende hulk võib muuta sulami sulamistemperatuuri, kõvadust, tugevust või parandada korrosioonikindlust jt omadusi. Järgnevalt on ära toodud mõningate lisandite mõju sulami omadustele:

• Cr – suurendab korrosioonikindlust;
• Ni – parandab sitkust, korrosioonikindlust;
• Co – muudab magnetilisi omadusi;
• Mo – parandab kulumiskindlust, kõvadust;
• Mn – parandab elastsust, kuumuskindlust;
• Ti – parandab kuumuskindlust, tugevust;
• Al – vähendab tagi teket.

Raud ja tema sulamid

Raud on kahtlemata üks olulisematest ja enim kasutatavatest metallidest. Oma levikult maakoores on ta neljandal kohal hapniku, räni ja alumiiniumi järel (metallilistest elementidest teisel kohal). Looduses leidub rauda ehedal kujul äärmiselt vähe, eelkõige raudmeteoriitides, siiski on teda mitmete ühendite koostises, näiteks savides, looduslikus vees ja kivimites. Samuti leidub elemendilist rauda elusorganismide veres hemoglobiini koostises.

Raua füüsikalised omadused on järgmised:

• hõbehall läikiv metall;
• suhteliselt raske (ρ = 7,9 g/cm³);
• kõrge sulamistemperatuur (1540 ^oC);
• plastne (hästi töödeldav);
• suhteliselt kõva (Mohri skaalal 4,5);
• magnetiliste omadustega.

Rauda toodetakse rauamaakidest, millest tähtsamad on punane rauamaak ehk hematiit (Fe₂O₃) ning must rauamaak ehk magnetiit (Fe₃O₄).

 

Joonis 1. Punane rauamaak ehk hematiit (vasakul) ja must rauamaak ehk magnetiit (paremal)

Nimetus magnetiit tuleneb tema magnetilistest omadustest. Rauatoodang moodustab metallide kogutoodangust üle 90% ning kuna raud on küllaltki odav ja heade füüsikaliste omadustega metall, on sellel ka palju kasutusvaldkondi. Samas on täiesti puhas raud võrdlemisi pehme, mistõttu kasutatakse esemete valmistamisel tema sulameid: malmi ja terast. Sulam on materjal, mis koosneb mitmest metallist või metallist ja mittemetallist. Seega on sulam segu, mis tihti saadakse mitme erineva aine kokkusulatamisel.

Malm on raua ja süsiniku sulam, kus süsiniku sisaldus on 2…5%. Veel sisaldub malmis näiteks räni ja fosforit. Sulamalm on voolav, mistõttu saab teda kergesti näiteks vormi valada. Malm on võrreldes rauaga kõvem, kuid hapram materjal. Malmist valmistatakse näiteks radiaatoreid, malmpotte ja -panne ning pliidiraudasid ning kaminasüdamikke.

 

Joonis 2. Malm (vasakul) ja teras (paremal)

Teine raua sulam on teras, mis lisaks rauale sisaldab samuti süsinikku nagu malmgi. Kui malmis on süsiniku sisaldus 2…5%, siis terase süsinikusisaldus on väiksem – 0,002…2%. Tulenevalt väiksemast süsinikusisaldusest on teras paremini töödeldav. Rauda kasutatakse naelte, auto- või laevakerede, tööriistade, lauanõude, teraskonstruktsioonide jne valmistamisel. Nii malm kui ka teras on keemiliselt suhteliselt vähe vastupidavad. Näiteks õhus ja vees hävivad nad ümbritseva keskkonna toimel ehk roostetavad. Selle vältimiseks lisatakse terasele näiteks kroomi, saadakse roostevaba teras, mis on palju vastupidavam väliskeskkonna toimele.

Alumiinium ja tema sulamid

Alumiinium on raua kõrval tähtsuselt teine ning looduses kõige levinum metall. Kuna alumiinium on küllaltki aktiivne metall, ei leidu teda looduses ehedalt.

Alumiiniumi füüsikalised omadused on järgmised: 

• hõbevalge läikiv metall;
• suhteliselt kerge (ρ = 2,7 g/cm³);
• suhteliselt madal sulamistemperatuur (660 ^oC);
• hea elektri- ja soojusjuht;
• plastne (hästi töödeldav);
• üpris pehme (Mohri skaalal 2,5…3).

Tähtsaimaks alumiiniumimaagiks on boksiit, mis koosneb peamiselt alumiiniumoksiidist (Al₂O₃).

Hoolimata sellest, et alumiinium on keemiliselt aktiivne ning reageerib kergesti õhus oleva hapnikuga, on alumiiniumist valmistatud esemed õhuhapniku suhtes vastupidavad, kuna nende pinnale moodustub hapnikuga reageerimisel tihe ja kaitsev oksiidikiht, mis hoiab ära esemete edasise kahjustumise.

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

Tänu sellele, et alumiinium on väikese tihedusega ning vastupidav õhu ja vee toimele, kasutatakse teda näiteks nõude ja joogipurkide valmistamisel. Lisaks on alumiiniumil hea peegeldusvõime, mistõttu kasutatakse teda peeglites peegeldava kihina. Alumiiniumi kõige tuntum sulam on duralumiinium, mis sisaldab lisandina umbes 4% vaske ning väikestes kogustes ka magneesiumi, mangaani ja räni. Duralumiinium on tugev, kuid väikese tihedusega materjal, mida kasutatakse näiteks lennukikerede valmistamisel, aga ka laevadetailide tootmisel.

Vask ja tema sulamid

Vask on elementide levikult maakoores alles 26. kohal, kuid inimkond on kasutanud vaske juba antiikajast. Ehedalt leidub vaske looduses väga harva.

Vase füüsikalised omadused on järgmised:

• punakaspruuni värvusega;
• väga hea elektri- ja soojusjuht;
• suhteliselt raske (ρ = 7,9 g/cm³);
• plastne (kergesti töödeldav);
• kõrge sulamistemperatuur (1083 ^oC);
• suhteliselt pehme (Mohri skaalal 3).

Vaske toodetakse vasemaakidest, millest tähtsamad on vaskläik (Cu₂S) ning kalkopüriit (CuFeS₂). Tänu keemilisele püsivusele ning väga heale elektrijuhtivusele kasutatakse vaske laialdaselt elektrijuhtmetes ning elektroonikas.

 

Joonis 6. Vaskläik (vasakul) ja kalkopüriit (paremal)

Vasel on kaks tähtsat sulamit: pronks ja messing. Pronks on punaka või kollaka värvusega vase ning tina sulam. Pronksi saab hästi valada ning tegemist on vastupidava ja kõva materjaliga, mistõttu kasutatakse teda näiteks skulptuuride, monumentide, aga ka kirikukellade valmistamisel. Vase teine sulam on messing ehk valgevask. Messing on oma värvuselt helekollane sulam, mis lisaks vasele sisaldab kuni 40% tsinki. Messingit kasutatakse tema välimuse tõttu erinevate nipsasjakeste, aga ka uksenuppude ja toruliitmike valmistamiseks. Veel kasutatakse messingit puhkpillide valmistamisel. Lisaks sellele kasutatakse vasesulameid laialdaselt müntide tootmisel, kuna tegemist on hästi töödeldava, küllaltki odava ja keemiliselt stabiilse materjaliga.

 

Joonis 7. Pronks (vasakul) ja messing (paremal)

Tabel 1. Raua sulamite näited ja nende omadusi

Rauasulamid	Omadused	Sulami kasutusala
Malm (Fe+üle 2% C)	habras, raskesti töödeldav	Igapäevaelus kohtad malmist tehtud köögitarvikuid, pliidiraudu, masinate korpuseid ja keresid.
Teras (Fe+alla 2% C+S,P)	hästi töödeldav,  kõva, rauast rabedam	Terasest tehakse paljud ehituskonstruktsioonid, mitmesugused tööriistad.
Roostevaba teras (Fe+Cr)	vastupidavam korrosioonile	Roostevaba terase kasutusala on väga sarnane terasega. Roostevaba terase korral on lisatud Cr, mis annab sulamile veel parema korrosioonikaitse. See ei tähenda seda, et roostevaba teras aja jooksul ei korrodeeruks. Sellest on tehtud paljud tööriistad, noad, käärid jm.

 

Tabel 2. Vase sulami näited ja nende omadusi

Vasesulamid	Omadused	Sulami kasutusala
Pronks (Cu+Sn)	vastupidav ja kõva materjal	Skulptuurid, medalid, seadmed. Nt Kristjan Jaak Petersoni pronkskuju saad minna vaatama Tartu Toomemäele.
Messing e valgevask (Cu+Zn)	tsingi lisand annab tugeva korrosioonikindluse,  heleda kollaka värvuse	Kõige levinum rakendus on erinevad torustiku osad, veekraanid,  masinaosad, vaskpillid.
Melhior (Cu+Ni+Fe+Mn)	odavam alternatiiv hõbadase läikega materjali saamiseks, hästi töödeldav, väga hea korrosiooni- ja kuumuskindel	Kasutatakse laialdaselt erinevate nipsasjakeste tootmisel: mündid, ehted, lauatarbed, kellaosad.
Uushõbe (Cu+Ni+Zn)	hästi töödeldav, keemiliselt vastupidav, odav