Metallit

Transkriptio

1 Metallit 2005

2 Kuparimalmi Kuparia esiintyy sulfidi- ja oksidimalmeissa. Pitoisuudet ovat tyypillisesti alhaisia (usein alle 1%). Louhittu malmi murskataan ja jauhetaan lietteeksi. Sulfidimalmista tehty liete rikastetaan esimerkiksi vaahdottamalla. lietteeseen sekoitetaan kemikaaleja kuten: mäntyöljyä, ksantaattia (C 5 H 11 OCS 2 K), karboksimetyyliselluloosaa ksantaatti molekyylin toinen pää on polaarinen ja se kiinnittyy kuparimineraaliin. Toinen pää on pooliton ja samalla hydrofobinen, joten se hakeutuu mahdollisimman kauaksi vedestä ilmakuplat nostavat kuparimineraalit vaahdoksi lietteen pinnalle vaahto kuoritaan pois ja kuivataan syntyneen konsentraatin likimääräinen koostumus: Cu 30%, Fe 27%, 33% S 3

3 Liekkisulatus (Flash smelting) Sulfidimalmeista saatavien kuparirikasteiden käsittely tapahtuu liekkisulatusmenetelmällä. Rikastettu kuparimalmiin sekoitetaan kuonaa muodostavaa hiekkaa. Kuivattu seos syötetään liekkisulatusuuniin. Uuniin puhalletaan happea ja ilmaa. Rikki ja rauta palavat oksideiksi. Valtaosa prosessin energiasta saadaan juuri tätä kautta. Syntyvästä rikkidioksidista valmistetaan rikkihappoa. 4

4 Liekkikonvertointi (Flash Converting) Liekkisulatuksessa syntyvän kuparikiven (copper matte) puhtausaste on luokkaa 70%. Kuparikivi murskataan ja suurin osa jäljellä olevista epäpuhtauksista poistetaan liekkikonvertointimenetelmällä. Kuparikivi, poltettu kalkki ja pöly? syötetään uunin ylhäältä. Jäljellä oleva rauta poltetaan ilmalla, johon lisätään happea noin 80%. Syntyvän raakakuparin (blister copper) puhtausaste on luokkaa 98% ja se siirretään edelleen anodiuuniin. 5

5 Anodiuuni Kuumaraffinoinnissa (fire refining) jäljellä oleva rikki poistetaan ilmapuhalluksella. Joskus kuumaraffinoinnissa käytetään myös juoksutetta. Ilmapuhalluksen jälkeen sulaan jäänyt happi poistetaan maakaasulla, propaanilla, ammoniakki tai puukepillä sekoittamalla eli poolaamalla (pine pole -> poling). Kuparin lopullinen happipitoisuus on luokkaa ppm. 6

6 Liuospuhditus (Electrorefining) Liuospuhdistus (tai elektrolyyttinen raffinointi) tehdään kupareille joissa on vismuttia joissa on jalometalleja joita käytetään sähköjohdoissa Cu-Bi -tasapainopiirroksessa on eutektinen piste (0.2% Bi, 270 C), joten pienetkin epäpuhtauspitoisuudet muodostavat kuparin raerajoille matalalla sulavan kalvon. Seurauksena on kuumahauraus. 7

7 Liuospuhditus Anodikuparit liuotetaan kuparisulfaattirikkihappokylpyyn. Anodilla: Cu epäpuhdas -> Cu e Katodilla: Cu e -> CU puhdas Puhdistus perustuu metallien jalouseroihin. Jalommat metallit (kulta, hopea) eivät liukene kylpyyn ja ne jäävät anodille tai anodiliejuun. Kuparia epäjalommat liukenevat, mutta ne eivät saostu katodille jos kuparia on vielä liukenematta. Jalometallit korjataan talteen anodiliejusta. 8

8 Happipitoiset kuparit Liekkipuhdistettu kupari Cu-FRHC (fire-refined high conductivity copper) C12500 Rikkipitoisuus ppm ( %) Kuparioksidipitoisuus ppm ( %) Elektrolyyttisesti puhdistettu kupari Cu-ETP (electrolytic refined tough pitch copper) Sitkokupari UNS C11000, UNS C11100 Metalliset epäpuhtaudet < 50 ppm Kuparioksidipitoisuus ppm ( %) 9

9 Happipitoiset kuparit Hapen tehtävänä on sitoa kuparissa olevat epäpuhtaudet oksideiksi. Kuparin kiderakenteeseen liuenneet epäpuhtaudet laskevat sähkön johtavuutta dramaattisesti Oksidisulkeumat laskevat kuparin sähkön johtavuutta ainoastaan pinta-alaa pienentämällä Lisäksi metalliset epäpuhtaudet voivat aiheuttaa kuumahaurautta Oksidisulkeumat syntyvät korkeissa lämpötiloissa ja ne jäävät rakeiden keskelle. Metalliset epäpuhtaudet jähmettyvät tyypillisesti matalissa lämpötiloissa, joten ne kertyvät raerajoille ja aiheuttavat kuumahaurautta (esim. rikki on hyvin haitallista) 10

10 Happipitoiset kuparit Happipitoisuuden vaikutus Erityisesti rikin poistaminen vaatii riittävää happipitoisuutta (esim. 0.9%) sulassa kuparissa Sulan jähmettyessä syntyy Cu 2 O faasia ja liian suuri happipitoisuus saa aikaan haurastumisen Sulan kuparin happipitoisuutta pienennetään puulauksella Liian pieni happipitoisuus voi aiheuttaa epäpuhtaussulkeumien pelkistymisen ja rakenteen haurastumisen Liian pieni happipitoisuus aiheuttaa valetun kappaleen kutistumisen 11

11 Happipitoiset kuparit Happipitoisilla kupareilla on vetysairausherkkyys. Jos happipitoista kuparia hehkutetaan vety rikkaassa ympäristössä, diffundoituu vety kupariin ja reagoi hapen kanssa. Syntynyt vesihöyry kertyy huokosiin ja raerajoille ja aiheuttaa haurautta. Tämän takia happipitoisia kupareja ei käytetä Putkiin Kaasuhitsattavaksi Tyypillisiä käyttökohteita ovat Johtimet Kattolevyt Räystäskourut 12

12 Vetysairaus Esimerkki happipitoisesta kuparista jossa vedyn aiheuttamia rakkuloita raerajoilla. 13

13 Deoksidoitukupari Runsasfosforinen kupari Cu-DHP (phosphorusdeoxidized copper - high residual phosphorous) UNS C12200 Matalafosforinen kupari Cu-DLP (phosphorusdeoxidized copper - low residual phosphorus) UNS? Lisäämällä sulaan kupariin fosforia saadaan happi sidottua ja vetyhaurausherkkyys pienenee. Lisäksi fosfori ehkäisee rakeenkasvua, joten deoksidoidut kupareita käyetään tuotteissa joita joudutaan kuumentamaan Kupariputket Lämmönvaihtimet 14

14 Deoksidoitukupari Fosforia lisätään niin paljon, että deoksidoinnin jälkeen sitä on jäljellä %. Fosforiliukenee kupariin myös huoneen lämpötilassa ja kuparin sähkönjohtavuus heikkenee Sähköjohtimissa ei käytetä deoksidoituja kupareja, jos niin fosforipitoisuus on suuri Cu-PHC (highconductivity - phosphorus containing copper) sähkönjohtavuus on 100% IACS sillä sen fosforipitoisuus on noin 0.003% Myös muita deoksidointiaineita käytetään 15

15 Liuenneiden seosaineiden vaikutus sähkönjohtavuuteen 16

16 Deoksidoidut kuparit Fosfori nostaa kuparin rekristallisaatiolämpötilaa. Syynä ajatellaan olevan epäpuhtausatomien kertyminen dislokaation aiheuttaman jännityskeskittymän lähelle. Epäpuhtausatomit hidastavat dislokaation liikkumista ja pidentävän rekristallisaation ydintymisaikaa (vertaa myötövanhenemiseen ja terävään myötörajaan) Fosforipitoisien kylmämuokattujen kuparien lujuus ei laske juottamisen aikana kuin vähän. Fosforiparantaa hitsattavuutta, koska se estää sulan hapettumisen ja edelleen huokosten muodostumisen ja haurastumisen. 17

17 Hapeton kupari Cu-OF (ogygen-free copper) UNS C10200 Cu-OFE (oxygen-free copper, electronic grade) UNS C10100 Valmistetaan elektrolyyttisesti puhdistetusta kuparista. Sulatus tehdään hiileen peitettynä ja valaminen suojakaasussa. Cu-OF happipitoisuus enintään 10 ppm Cu-OFE happipitoisuus enintään 5 ppm Koska hapettomassa kuparissa ei ole happea, ei se ole altis vetyhauraudelle. Sähkönjohtavuus on erittäin hyvä. 18

18 Esimerkki mikrorakenteesta Muokattua happipitoista kuparia on altistettu vedylle. Raerajoilla olevat kaasuhuokoset ovat estäneet rakeenkasvun Muokattua hapetonta kuparia on altistettu vedylle. Huomaa raerajojen kasvu. 19

19 Seostetut kuparit Jos kupariin lisätään seosaineita vain niin vähän, että sähkönjohtavuus ei tipu, puhutaan kupareista (esimerkiksi hopeakupari). Suuremmilla seospitoisuuksilla puhutaan kupariseoksista (esimerkiksi messinki, pronssi). Pienellä seostuksella voidaan Nostaa rekristallisaatiolämpötilaan Nostaa lujuutta Parantaa lastuttavuutta 20

20 Rekristallisaation 21

21 Rekristallisaatiolämpötila Pienetkin seosainepitoisuudet nostavat rekristallisaatiolämpötilaa. Erityisesti käytetään hopeaa (hopeakupari), mutta myös zirkoni, kadmium, tina, antimoni hidastavat rekristallisaation merkittävästi ja mahdollistavat näin seostetun kuparin pitämisen normaalia korkeammissa lämpötiloissa. Hopean etuna on sen vähäinen vaikutus sähkönjohtavuuteen. 22

22 Seosaineiden vaikutus sähkönjohtavuuteen Seosaineiden vaikutus rekristallisaatiolämpötilaan 23

23 Lujuuden nosto erkaumakarkaisulla Kupariseoksia voidaan erkaumakarkaista, jos seosaineella on pieni liukoisuus huoneen lämpötilassa ja suurempi liukoisuus korotetussa lämpötilassa (vertaa alumiinin erkaumakarkaisuun). Tyypillisiä seosaineita ovat kromi, zirkoni ja beryllium. Murtolujuudet voivat olla jo varsin korkeita erkaumakarkaistussa tilassa Kromikupari 470 MPa Berylliumkuparin 1150 MPa Berylliumkuparin käyttö on vähäistä berylliumin myrkyllisyyden takia 24

24 Kupariseokset (runsaasti seostetut) Suuremmilla seosainepitoisuuksilla lujuutta saadaan lisää. Tosin sähkönja lämmönjohtavuus huononee. 25

25 Viruminen Jännitys, joka tarvitaan 10-5% virumismyötymän aikaansaamiseksi tunnissa eri kupariseoksille 26

26 Seosaineet ja lämmönjohtavuus 27

27 Messinki Kupari-sinkki seoksista käytetään nimitystä messinki. Alfa faasilla kuparin kiderakenne (pkk) ja beeta faasilla tkk-rakenne. Näiden lisäksi suuremmilla sinkkipitoisuuksilla esiintyvät muita faaseja jotka ovat hauraita monimutkaisen kiderakenteensa vuoksi. 28

28 Kupari-sinkki tasapainopiirros 29

29 Messingit (Brass) Messinkien sähkönjohtavuus noin enimmillään puolet puhtaan kuparin sähkönjohtavuudesta. Korroosion kestävyys on kuparia vastaava ja lujuus on selvästi parempi. Messinkien sinkkipitoisuus on normaalista alfa faasin alueella. Tyypillisiä seoksia ovat CuZn10 CuZn15 CuZn20 CuZn30 (hylsymessinki) CuZn37 30

30 Messinkin mekaaniset ominaisuudet 31

31 Beeta messingit Messinkin sinkkipitoisuuden nostaminen heikentää muovattavuutta ja etenkin beeta faasin muokkaaminen huoneen lämpötilassa on käytännössä mahdotonta. Toisaalta beeta voidaan muovata jopa alfa faasia helpommin yli 500 C lämpötilassa. Itse asiassa korotetussa lämpötilassa esiintyy β faasi ja matalissa lämpötiloissa β faasi. Beeta pilkku faasi on ns. ylihila, jolloin metalliseos pystyy minimoimaan sisäenergiansa sijoittamalla kupariatomin viereen sinkkiatomin ja päin vastoin. 32

32 Beeta messingit 33

33 Beeta messingit 34

34 Tinapronssit Pitkään pronssilla on tarkoitettu kuparin ja tinanan seosta. Nykyään puhutaan pronssit luokitellaan tarkemmin (alumiinipronssi, piipronssi, berylliumpronssi). Poikkeuksia ovat kuparin ja sinkin seokset (messingit) ja kuparin ja hopean seokset (nikkelikupari). Tyypilliset tinapronssit ovat: CuSn4 CuSn6 CuSn8 Tinapronssien korroosionkestävyys paranee tinapitoisuuden kasvaessa. Yli 5% tinaa sisältävät seokset kestävimpiä merivedessä ja esim. rikkihapossa 35

35 Tinapronssit Muokattavien tinapronssien Sn pitoisuus on yleensä alle 11% jolloin rakenteena α faasia. Suuremmilla pitoisuuksilla rakenteeseen syntyy haurasta ε faasia. Huomaa, että tasapainopiirroksen mukaan α faasin maksimi tinapitoisuus on luokkaa 2%, mutta ε faasin syntyminen huoneen lämpötilassa on niin hidasta että sitä ei juuri esiinny kuin yli 11% tinaa sisältävissä seoksissa. 36

36 Tinapronssit Valuseoksissa tinapitoisuus voi olla suurempi. Tällöin rakenteeksi muodostuu seokseksi α + δ (ε-faasia ei normaalisti muodostumine alhaisissa lämpötiloissa on hidasta). Cu 31 Sn 8 (δ-faasi) on kova ja hauras joten seokset sopivat muokattavia seoksia paremmin kulumiskestävyyttä vaativiin osiin. laakerit pumput venttiilit hammaspyörät 37

37 38

38 Lyijytinapronssit Lyijyä lisätään tyypillisesti tinapronssiin jota käytetään laakerien valmistukseen. Lyijy pienentää kitkaa ja estää kiinnileikkautumista. Kuvan seoksen koostumus 8% Sn 1-1,5% Pb Cu (loput) 39

39 Alumiinipronssi Alumiiniseostuksella saadaan hyvä syöpymisen- ja hapettumisenkesto, hyvä lujuus myös korkeammissa lämpötiloissa, kulumiskestävyys. Heikko valettavuus, hankala lastuttavuus, huonot liukuominaisuudet muokattavien alumiinipronssien alumiinipitoisuus on luokkaa 5-11% käyttökohteita ovat esimerkiksi laakerit, kulutuspinnat sekä rahat (95% Cu, 5% Al). 40

40 Alumiinipronssi 41

41 Punametallit (Cu-Sn-Zn) Punametalleissa on tinan lisäksi sinkkiä ja nikkeliä. Punametallit ovat ensisijassa valumetalleja. Sinkkiä käytetään korvaamaan tinaa (joka on kallista). Esimerkiksi 15% Sn seostus voidaan korvata 10% Sn ja 10% sinkki seostuksella laakerit hammaspyörät liukukiskot venttiileissä Eräs esimerkki tykkimetalli (admiralty gun metal) 88% Cu 10% Sn 2% Zn Soveltuu raskaaseen kuormitukseen ja meriympäristöön 43

42 Uushopea Uushopeat eli alpakat ovat Cu-Ni-Zn -seoksia. Ne ovat messinkejä, joissa osa sinkistä on korvattu nikkelillä valkoinen, hopeaa muistuttava väri Koriste-esineet, pöytäkalusteet, avaimet, jouset Tyyppi esimerkit C75200 (65Cu-18Ni-17Zn) C77000 (55Cu-18Ni-27Zn) 44

43 Nikkelikupari Nikkelikuparit ovat Cu-Ni -seoksia. Niissä yhdistyvät hyvä lujuus ja korroosionkestävyys. Sähkövastusominaisuuksiensa vuoksi niitä käytetään vastusmateriaaleina. Konstantaanin (55% Cu, 45% Ni) ominaisvastuksen lämpötilakerroin on hyvin pieni alle 500 C lämpötiloissa, joten siitä voidaan tehdä tarkkuusvastuksia. Liittämällä yhteen rauta ja konstantaani lanka saadaan aikaa termoelementti lämpötilan mittausta varten. Cu-Ni -seokset ovat myös metallirahojen raaka-aineita. 45

44 Metallirahat Yhden euron kolikon ulkoosassa 75% Cu ja 25% Ni. Sisäosassa on 75% Cu, 20% Zn ja 5% Ni (uushopea). Kahden euron kolikossa päinvastoin. 10, 20 ja 50 sentin kolikot on tehty Nordic gold seoksesta, jossa on 89% Cu, 5% Al, 5% Zn ja 1% Sn. Pienemmät kolikot ovat väristään huolimatta valmistettu teräksestä ja pinnoitettu kuparilla. 46

45 2 kolikon poikkileikkaus 47

46 Kuparin korroosio Kuparin korroosionkestävyys on yleensä hyvä. Korroosionopeus on alhainen ilmastoolosuhteissa, luonnonvesissä, laimeassa rikkihapossa sekä monissa suola- ja emäsliuoksissa Olennaista korroosiota tapahtuu vasta, kun liuokseen on liuenneena happea Kupariseoksille tyypillisiä korroosiomuotoja ovat lähinnä eroosiokorroosio, valikoiva (selektiivinen) korroosio (sinkinkato) ja varastorepeäminen Varastorepeäminen on messinkien jännityskorroosiota (stress corrosion cracking). Muokkauksen aikana syntyneet sisäiset jännitykset aiheuttavat repeämisen typpipitoisissa ympäristöissä (ammoniakki, amiinit tai nitriitit) Sinkinkatoa voi esiintyä, kun Zn-pitoisuus on suurempi kuin 15%. Voidaan estää pienillä arseeni-, antimoni- tai fosforiseostuksella 48

47 Sinkinkato 49

48 Sinkki Sulamislämpötila 419 C Höyrystymislämpötila 907 C Hilarakenne HTP Tiheys 7.14 g/cm 3 Kimmokerroin GPa Vetomurtolujuus MPa Sähkönjohtavuus noin 30% IACS Ominaisvastus Ωm 50

49 Yleistä Sinkki on neljänneksi käytetyin metalli maailmassa, kolmanneksi yleisin ei-rauta - metalli. Sinkkiä löytyy kaikkialta ympäristöstä; kivistä, maaperästä, luonnonvesistä. Sinkki on välttämätön aine eläville organismeille, koska solut tarvitsevat sinkkiä lisääntyäkseen. Vaikuttaa haju- ja makuaisteihin ja säätelee elimistön immuniteettisysteemiä, suojaa ihoa ja tehostaa aivojen toimintaa, vastaa entsyymien toiminnasta. Sinkki on kierrätettävää, ei menetä kierrätyksessä ominaisuuksiaan n. 80 % sinkistä ajautuu kierrätykseen 51

50 Yleistä Fysikaalisia ominaisuuksia: Lähes teräksen luokkaa oleva tiheys Matala sulamispiste Valettavuus HTP -rakenne Vaatimattomat lujuusominaisuudet ja vain kohtalainen sitkeys Sinkki on sinertävän vaalea metalli, jolla ilman aiheuttaman hapettumisen vuoksi on matta pinta Puhtaana sinkki on pehmeää 52

51 Sinkin käyttökohteet Suuntautuu yleensä kolmelle alalle: Käyttö pinnoitteena. Pääasiallisesti raudan ja teräksen sinkitys Kuparivaltaisten Cu-Zn -seosten eli messinkien valmistus Painevalu Sinkkiä käytetään myös Konstruktiomateriaalina Lääkkeissä, kosmetiikassa Ravinteina, lannoitteina Paristoissa 53

52 Kuumasinkitys 54

53 Kuumasinkitys Sinkillä pinnoitettu teräs kestää korroosiota hyvin koska sinkki syöpyy epäjalompana metallina. Sinkin syöpyessä syntyy hyvin korroosiota kestävä sinkkikarbonaattiyhdiste joten teräksen pinnalla oleva sinkki kerros syöpyy ilmassa ja vedessä varsin hitaasti. Jos sinkin pintaan ei synnyt karbonaattiyhdistettä, voi sinkin korroosio olla hyvin nopeaa. Tällaisia ympäristöjä ovat esimerkiksi: Hapot Vahvat emäkset Huoneen lämpötilan yläpuolella (65 C) Pehmeät vedet 55

54 Valuseokset 56

55 Alieutektiset valuseokset ZAMAK 2 AC43A Zn-4Al-2.5Cu-0.04Mg Al % ja Cu % Suuri murtolujuus, virumisen kesto ja kovuus seurausta kuparipitoisuudesta Kuparipitoisuus aiheuttaa dimensioiden muuttumista (0.0014% 20 vuodessa). Huonompi iskusitkeys ja murtovenymä. ZAMAK 3 AG40A Zn-4Al-0.04Mg Al % ja Cu 0.25% max Tyypillisin keskiverto ominaisuuksiensa vuoksi ZAMAK 5 AC41A Zn-4Al-1Cu-0.05Mg Al % ja Cu % Kovempi ja lujempi kuin ZAMAK 3, mutta heikompi murtovenymä. Toiseksi paras murtovenymä ZAMAK 7 AG40B Zn-4Al-0.015Mg Al % ja Cu 0.25% max Puhtaampi versio ZAMAK 3:sta. Pienen Mg pitoisuuden takia valettavuus on parempi. Hyvän pinnantoisto. Sitkeä. 57

56 Ylieutektiset valuseokset ZA-8 Zn-8Al-1Cu-0.02Mg Soveltuu kokilli ja painevaluun. Hyvä työstettävyys, kipinöimätön, viimeistelyyn sopiva pinta ZA-12 Zn-11Al-1Cu-0.025Mg Jokapaikan seos, soveltuu valuraudan, messingin ja alumiinin tilalle. Käytetään tyypillisesti hiekkavaluissa, mutta soveltuu myös grafiittimuotille ja painevaluun. Pitää painee, ei kipinöi ja helppo koneistaa. Kestää kulutusta ja pintapainetta. ZA-27 Zn-27Al-2Cu-0.015mg Korkea lujuus ( MPa ja MPa) Hiekkavalut Kipinöinti on mahdollista 58

57 Sinkki vs valurauta Sinkkiseosten koneistaminen on valurautoja helpompaa. Sinkkiseokset voidaan valaa tarkempii toleransseihin ja valun pinnanlaatu on merkittävästi parempi. Sinkki soveltuu valurautaa paremmin lyhyisiin sarjoihin ja korroosion kestoa parantavat jälkikäsittelyt ovat vähemmän tarpeellisia. 59

58 Sinkki vs alumiini Sinkki seokset ovat alumiinia kovempaa ja lujempaa. Koneistaminen on helpompaa ja tiiveys (paineen pito) on parempi. Kulumiskestäyvyys ja pintapaineenkesto on parempi. Sinkkivalut ovat alumiinia kalliimpia tilavuuteensa nähden. Kilpailukykyiseksi ne muuttuvat jos alumiinille pitää tehdä jälkikäsittelyjä. 60

59 Sinkin painevalu Autoteollisuus Rakennusteollisuus kahvat Puhelimet ja sähkölaitteet Vaateet vetoketju Lelut ja urheilu 61

60 Mikrorakenteen muodostuminen Tasapainopiirroksen erikoispiirre on alfa faasin stabiilisuus alue, joka jatkuu eutektisessa lämpötilassa sinkkipitoisuuteen 82.8% asti. Suurilla sinkkipitoisuuksilla esiintyvästä faasista käytetään nimitystä α. 62

61 Mikrorakenteen muodostuminen Molemmat alfa faasit ovat kiderakenteeltaan pintakeskisiäkuutiollisia, mutta sinkkipitoisuus vaihtuu. Kun α faasi hajaantuu α ja β faasiksi eutektoidisessa reaktiossa, pienenee tilavuus 0.2%. 63

62 Mikrorakenteen muodostuminen Nopea jäähtyminen estää tasapainon mukaisen muutoksen Joten painevaletut kappaleet kutistuvat jonkin verran 4-5 viikon kuluessa. 64

63 Putkenkatkaisin 65

64 Putken katkaisin 66

65 Putken katkaisin 67

66 Putken katkaisin 68

67 Putken katkaisin 69

68 Putken katkaisin 70

69 Nikkeli Sulamispiste 1455 C Hilarakenne PKK Murtolujuus n. 400 N/mm 2 Kimmomoduli 203 kn/mm 2 Tiheys 8,9 g/cm 3 71

70 Käyttö Kalleutensa vuoksi puhdasta nikkeliä käytetään melko vähän sellaisenaan vaikka mekaaniset ominaisuudet kohtalaisen hyvät (lujuus ja sitkeys). Kiderakenteensa vuoksi hyvä muokattavuus Kiderakenne säilyy samana sulamislämpötilaan saakka Muokkauslujittuu voimakkaasti etenkin seoksina 72

71 Käyttö Ruostumattoman teräksen valmistus austeniittiset teräkset Muut teräkset Ei-rautametallit Pinnoitus Muut 73

72 Korroosio Normaalipotentiaali korkea jalous Hyvä korroosionkestävyys erityisolosuhteissa Käyttö puhtaana perustuu yleensä korroosio-ominaisuuksiin Kestää hyvin lipeäliuoksia (emäkset) ja pelkistäviä oloja Kestää hyvin korkeita lämpötiloja Syöpyy hapettavissa oloissa ja rikkipitoisissa aineissa ja ilmastossa. Esimerkiksi rikkipitoinen kaupunki-ilma syövyttää nikkeliä, mutta huoneilmassa se pysyy kirkkaana. Pienetkin nikkelipitoisuudet aiheuttavat allergioita. 74

73 Korroosio Kuparin seostaminen nikkeliin parantaa sen korroosionkestävyyttä myös hapettavissa oloissa. Tällainen seos on esim. Monel -metalli, jossa on % nikkeliä, vähän alumiinia tai mangaania ja loput kuparia. Monel -metalleja voidaan erkautuskarkaista, jolloin vetomurtolujuudelle saadaan jopa arvoja 1400 N/mm2. Esimerkiksi seokselle 67% Ni, 30% Cu, 3% Al liuoshehkutus 870 C sammutus veteen tai ilmaan keinovanhennus 590 C 8-16 h 75

74 Sähköiset ja Magneettiset Nikkeliseoksilla on erityisiä fysikaalisia ominaisuuksia, joita käytetään hyödyksi monilla aloilla. Nikromi - seoksia, joissa on 80 % nikkeliä ja 20 % kromia, voidaan käyttää vastusmateriaaleina suuren sähkövastuskykynsä vuoksi. Nikkeliseosten magneettisia ominaisuuksia hyödynnetään sähköteollisuudessa. Pehmeät magneettimetallit magnetoituvat helposti magneettikentässä. Lisäksi niiden magneettisuus poistuu kentän poistuttua Ni > 28% ominaisuudet 76

75 Sähköiset ja Magneettiset ominaisuudet Monissa kestomagneeteissa (kovissa magneettimetalleissa) käytetään nikkeliseostusta. Esimerkiksi alnico-metalli 51% Fe, 25% Co, 14% Ni, 8% Al, 3% Cu erkaumalujittuva magneettiset ominaisuudet eivät heikkene huoneen lämpötilassa korkeampi käyttölämpötila Pieni sivuhuomautus: kestomagneettien ferriittillä (BaO 6Fe 2 O3) ei ole mitään tekemistä α-raudan kanssa. 77

76 Invar Rauta-nikkeli -seokset päästään tietyllä seossuhteella siihen, etteivät pituus tai kimmomoduli muutu lämpötilan muuttuessa. Pituuden arvo saadaan riippumattomaksi lämpötilasta, kun seoksessa on 36 % Ni. Tämä on ns. Invar -metalli. Nikkelin Curie-piste on lämpötilassa 260 C ja tähän muutoksen liittyy tilavuusmuutos joka kompensoi jäähtymisen aiheuttaman kutistumisen. Käytetään esimerkiksi mitoissa. Edelleen nikkelipitoisuutta säätelemällä voidaan vaikuttaa lämpölaajenemiseen. Esimerkiksi 58% Fe ja 42% Ni -seoksella on sama lämpölaajeneminen lasin kanssa, jolloin voidaan tehdä tiiviitä liitoksia. 78

77 Invar 79

78 Elinvar Elinvar -metallissa on % Ni, 15 % Cr ja loput Fe. Näiden kimmomoduli on lämpötilasta riippumaton. Seos sopii loistavasti fysikaalisiin instrumentteihin (esim. jousiin) joiden jäykkyysominaisuudet eivät saa muuttua lämpötilan mukana. 80

79 Elinvar 81

80 Koboltti Yleistä Tiheys 8.8 g/cm 3 Allotropia htp -> pkk lämpötilassa 417 C Sulamispiste 1493 C Käyttökohteet Maalien pigmentit Magneettiset ominaisuudet Korroosionkesto (biomateriaalit) Kulumiskestävä (Stelliitti ja kovametalli) Korkeat käyttölämpötilat (superseokset) Gammasäteilylähteet 82

81 Stelliitti Koostumus Koboltti 40-60% Kromi 25-30% Volframi 2-15% Molybeeni Tyypillisesti alla 1% Hiili % Sekä Fe, Ni, Si Mekaaniset ominaisuudet Myötölujuus MPa Murtolujuus MPa Murtovenymä 1-11% 83

82 Matriisi Kovametallit (cemented carbides, hard metals) Kobolttipitoisuus luokkaa 3-25% Partikkelit WC, TiC, TaC, NbC Sintraus osittain sulassa tilassa Koboltti ja karbidit muodostavat eutektikumin noin 1350 asteessa Osa karbideista ei liukene sintrauksessa. Jähmettymisen aikana karbidien koko kasvaa Väliin jää kobolttivaltainen jähmeä liuos 84

83 Superseokset

84 Superseokset Tavoitteena hyvät lujuusominaisuudet, hyvä hapettumis- ja korroosionkestävyys korkeissakin lämpötiloissa. Käytettävien metallien sulamispiste on korkea. Lujuus perustuu erkaumien muodostumiseen. Rautapohjaiset superseokset Timken, Discaloy, Incolony Nikkelipohjaiset superseokset Astroloy, Inconel, Nimonic, Réne, Udimet, Waspaloy Kobolttipohjaiset superseokset S