Metalliseokset. Alumiiniseokset. ValuAtlas Suunnittelijan perusopas Seija Meskanen, Tuula Höök

Transkriptio

1 Metalliseokset Seija Meskanen Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök Tampereen teknillinen yliopisto Alumiiniseokset Eri tavoin seostettu alumiini sopii kaikkiin yleisimpiin valumenetelmiin. Alumiiniseoksia voidaan valaa esimerkiksi hiekka-, kokilli-, matalapaine-, paine-, keskipako-, jatkuva- ja tarkkuusvaluna. Kuhunkin valumenetelmään on omia, standardissa määriteltyjä seoksia. Tästä ei kuitenkaan voi päätellä, ettei seosta, jolle on määritetty mekaaniset ominaisuudet kokillivalua varten, voitaisi valaa myös esimerkiksi tarkkuusvalumuotteihin. Oikeampi päätelmä on, että seosta, jolle on standardissa lueteltu mekaaniset ominaisuudet kokillivaluun, käytetään tähän menetelmään yleisesti ja että seos sopii menetelmään erityisen hyvin. Valtaosa alumiinivaluista tehdään painevalumenetelmällä auto- ja telekommunikaatioteollisuuden tarpeisiin. Alumiiniseokset ovat kevyitä, sitkeitä, tiiviitä ja kohtuullisen lujia. Ne johtavat hyvin lämpöä ja sähköä sekä kestävät korroosio-olosuhteissa. Alumiini on myös helposti kierrätettävää. Alumiinin käyttö on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosikymmeninä, koska siitä saadaan valmistettu painoonsa nähden lujia ja sitkeitä rakenteita. Puhdas alumiini on jossakin määrin vaikea valaa voimakkaan hapettumistaipumuksen ja muodostuvan oksidikerroksen ominaisuuksien vuoksi. Alumiiniseosten lujuutta voidaan nostaa seostuksella: tärkeimmät seosaineet ovat pii, kupari, magnesium ja sinkki, joiden lisäksi voidaan käyttää myös Mn, Fe, Ni, Ti tai Be. Alumiinin mekaaniset ominaisuudet riippuvat valumenetelmästä ja toimitustilasta. Osa alumiinivalukappaleista toimitetaan valutilaisina, osa lämpökäsiteltyinä. Lämpökäsittelymenetelmiä ovat vanhentaminen ja liuotushehkutus. Lämpökäsittely perustuu erkautumiskarkenemisen mekanismiin. Alumiiniseokset jaetaan karkenemattomiin ja karkeneviin. Kovuus jää karkaistunakin suhteellisen alhaiseksi, enintään 150 HB. Alumiiniseosten väsymislujuus on noin 0,35 0,55 x murtolujuus, karkenevilla seoksilla suhde on tätä pienempi. Käyttölämpötilat ovat virumisen vuoksi yleensä rajoittuneet noin C:een. Alumiiniseosten lujuus kasvaa matalissa lämpötiloissa. Erkautuskarkenevien seosten murtovenymä pysyy melko vakiona ja karkenemattomilla seoksilla se kasvaa lämpötilan laskiessa. AlMg- ja AlMgSi seoksilla iskusitkeys on vakio alueella C ja AiCuMg- sekä AlZnMgCu-seoksilla sen arvo C:ssa on noin 65 % huoneenlämpötilassa saadusta arvosta. Alumiinin korroosionkestävyys perustuu metallin pintaan muodostuvaan tiiviiseen ja nopeasti uusiutuvaan oksidikerrokseen. Parhaimmillaan korroosionkestävyys on puhtaalla alumiinilla ja heikoimillaan AlCu-seoksilla, joissa alumiinin ja kuparin suuri potentiaaliero johtaa helposti epähomogeenisen rakenteen syöpymiseen. Syövyttävissä ympäristöissä alumiiniseosten väsymislujuus putoaa 0,3 0,6 kertaiseksi neutraaliin ympäristöön verrattuna. Korroosioväsymistä voidaan vähentää anodisoimalla kappale eli muodostamalla sen pintaan elektrolyyttisesti paksu ja tiivis oksidikerros. On kuitenkin huomattava, että anodisointi heikentää väsymislujuutta neutraaleissa ympäristöissä. Erotettu erilliseksi tiedostoksi (Tuula Höök) Metalliseokset - 1

2 Alumiini-kupariseoksissa kuparin pitoisuus on yleensä alle 8 %. Seoksen hauraus rajoittaa suurimman käytettävissä olevan kuparipitoisuuden 14 %:iin. Alle 5 % kupariseostuksella saadaan erkautuskarkeneva AlCu-seos (duralumiini). Alumiiniseokset erkautuskarkenevat liuotushehkutuksen jälkeen huoneenlämpötilassa muutamassa vuorokaudessa (luonnollinen vanhennus) tai nopeammin korotetussa lämpötilassa uunissa (keinovanhennus). Jos duralumiineihin tulee rautaa epäpuhtautena, se sitoo kuparia AlCuFe-yhdisteeksi ja Al2Cu:n erkauttaminen epäonnistuu. Raudan vaikutusta voidaan vähentää pienellä Mg-, Mn- tai Siseostuksella. Duralumiinien lieväkin kuumennus tai jopa hidas jäähtyminen liuotushehkutuksen jälkeen saattaa johtaa Al2Cu-erkaumien keskittymiseen raerajoille, jolloin raerajoja ympäröivät alueet köyhtyvät kuparista ja niiden sekä rakeiden sisäosien välille syntyy potentiaaliero, mikä johtaa raeraja-alueiden korroosioon syövyttavissä ympäristössä. Korkeammissa lämpötiloissa käytettäväksi soveltuu paremmin erkautuskarkeneva Y-seos (AlCu4Ni2Mg), jota käytetään mm. mäntien ja sylinterinkansien materiaalina. Y-seoksesta kehitetty patentoitu seos Hiduminium-RR sisältää myös rautaa, titaania ja piitä. AlCu-seoksilla on alumiiniseosten huonoin korroosionkestävyys. Alumiini-piiseokset eli silumiinit ovat parhaiten valettavissa olevia alumiiniseoksia. Tavallisimmissa seoksissa on 11 13% piitä. Hitaassa jäähtymisessä, esim. hiekkavalussa, silumiiniseokset (yli 7 % Si) on jalostettava eli modifioitava natriumilla tai jalostussuoloilla oikean mikrorakenteen aikaansaamiseksi. Lämpökäsiteltäviin seoksiin lisätään pieniä määriä magnesiumia, mangaania, kuparia, rautaa tai nikkeliä. Magnesiumilla seostettua lämpökäsittelemätöntä seosta kutsutaan b- silumiiniksi ja erkautuskarkaistua seosta -silumiiniksi. Korvaamalla osa piistä kuparilla saadaan kuparisilumiineja, joilla on hyvät valu- ja lujuusominaisuudet, mutta huono korroosionkestävyys. Jos silumiinin sitkeyttä on parannettava, alennetaan piipitoisuutta jopa 5 %:iin. Silumiinit kestävät hyvin mm. ammoniakkia, rikkiä, rikkivetyä, hiilidioksidia sekä väkevää typpihappoa ja monia orgaanisia aineita. Alumiini-magnesiumseoksilla on Al-valuseoksista parhaat lujuus-, syöpymiskestävyys- ja kiillotettavuusominaisuudet, mutta niiden valaminen on vaikeaa. Hyvä lujuus ei perustu erkautuskarkaistavuuteen, vaan kiinteän alumiiniliuoksen lujittumiseen magnesiumseostuksen ansiosta. Mg-seostus voi olla jopa 11 %, vaikka suomalaisissa standardiseoksissa pitoisuusrajana on 6 %. Yleensä AlMg-seoksissa on myös hiukan piitä, mangaania, titaania tai berylliumia. Seoksista käytettyjä kauppanimiä ovat mm. hydronalium, perluman sekä duranalium ja niitä käytetään mm. lentokoneen- ja laivanrakennuksessa sekä auto- ja rakennusteollisuuden heloituksissa. Alumiini-sinkkiseoksia on standardissa SFS-EN 1706 vain yksi, G-AlZn5Mg. Se on valuteknisesti vaikea. Erkautuskarkeneminen tapahtuu itsestään seoksen jäähtyessä valulämpötilasta. Korroosionkestävyys on heikko ja jännityskorroosion vaara suuri, jos Zn:n ja Mg:n yhteispitoisuus ylittää 6 %. Sen sijaan anodisoitavuus on hyvä. Alumiini-sinkkiseosta käytetään koristeheloihin ja myös lujuutta vaativiin rakenneosiin. Alumiinivalukappaleita voidaan hitsata helposti profiileihin, muokattuihin tai muihin valettuihin kappaleisiin. Hitsisauma alentaa karkaistujen kappaleiden lujuutta sekä aiheuttaa anodisoinnissa pinnan värisävyn muuttumisen. Muita alumiiniseoksille sopivia liitosmenetelmiä ovat juottaminen, liimaaminen sekä erilaiset mekaaniset liitokset. Alumiinia voidaan työstää kaikilla tunnetuilla lastuamismenetelmillä. Hyvän pinnanlaadun saavuttaminen edellyttää suuria lastuamisnopeuksia ja vaikka tarvittava ominaislastuamisvoima onkin vain neljäsosa teräksen vaatimasta voimasta, käytetyt lastuamistehot ovat suurempia. Alumiiniseosten valettavuus vaihtelee seostuksen mukaan. Valukutistuma on puhtaalla alumiinilla 6,6 % ja 12 % Si sisältävällä silumiinilla 3,8 %. Alumiiniseokset voidaan luokitella seuraaviin ryhmiin: Alumiini-piiseokset: Hyvin valettavia ja korroosionkestäviä, mutta eivät kovin lujia. Hiekkavalukappaleiden mekaanisia ominaisuuksia voidaan parantaa modifioinnilla. Erotettu erilliseksi tiedostoksi (Tuula Höök) Metalliseokset - 2

3 Alumiini-pii-magnesiumseokset: Paremmat mekaaniset ominaisuudet kuin pelkillä alumiinipiiseoksilla. Alumiini-kupariseokset: Sisältävät tavallisesti 4-5 % kuparia. Lämpökäsiteltäviä seoksia, joista saadaan lujia ja sitkeitä valukappaleita. Alumiini-pii-kupariseokset: Yleisesti käytetty ryhmä alumiiniseoksia. 3-4 % kuparia sisältäviä seoksia voidaan lämpökäsitellä, mutta yleensä lämpökäsitellään vain seoksia, joissa on seosaineena myös magnesiumia. Piitä ja kuparia seostetaan eri suhteissa käyttötarkoituksesta ja valumenetelmästä riippuen. Pii vähentää kuumahauraustaipumusta, joten erityisesti painevalussa käytetään runsaammin piillä seostettuja lajeja. Yli 10% piipitoisuuksilla nääiden seosten lämpölaajenemiskerroin on suhteellisen pieni. Hyvin runsaalla piiseostuksella valuista saadaan kulumisenkestäviä. Alumiini-magnesiumseokset: Kestävät erittäin hyvin korroosiota, mutta hankalia valaa. Hyvä kestävyys merivedessä ja merellisissä olosuhteissa. Alumiini-sinkki ja alumiini-sinkki-magnesiumseokset: Hankalia valaa. Kestävät hyvin korroosiota. Luonnollisesti vanhenevia, mutta voidaan myös keinovanhentaa. Seoksista valetut kappaleet ovat mekaanisilta ominaisuuksiltaan hyviä. Mekaaniset ominaisuudet saavutetaan luonnollisen vanhenemisen kautta ilman lämpökäsittelyjä. Alumiini-tinaseokset: Hyvät voiteluominaisuudet. Käytetään esimerkiksi laakereihin. Alumiiniseoksia käsittelee SFS-EN-standardi: SFS-EN Alumiini ja alumiiniseokset. Valut. Kemiallinen koostumus ja mekaaniset ominaisuudet SFS-EN 601:en - Aluminium and aluminium alloys. Castings. Chemical composition of castings for use in contact with foodstuff Magnesiumseokset Magnesium on teknisistä käyttömetalleista kevein. Se on myös kohtuullisen luja materiaali. Magnesiumseoksia käytetään mm. autoteollisuudessa, lentokoneenrakennuksessa, käsikäyttöisissä työkaluissa, kannettavissa elektronisissa laitteissa ja liikkuvissa koneenosissa. Magnesiumseokset sopivat erittäin hyvin pyöriviin koneenosiin, koska niiden massa ja sitä kautta inertia on pieni. Magnesiumseokset kestävät hyvin emäksisiä liuoksia, mutta syöpyvät nopeasti happamissa ja suolaliuoksissa. Magnesiumseokset sopivat useisiin valumenetelmiin. Iso osa seoksista käytetään painevaluina, mutta myös hiekka-, kokilli- ja tarkkuusvalukappaleita valmistetaan. Magnesium on ongelmallinen valumetalli, koska se reagoi hapen kanssa erittäin herkästi ja sen kiehumispiste on alhainen. Magnesiumeoksiin lisätään 0,15-0,30% mangaania korroosionkestävyyden parantamiseksi. Lujuus ja kovuus saadaan suuremmiksi alumiinilisäyksellä. Sinkkiseostuksella voidaan parantaa sitkeyttä sekä syöpymisenkestävyyttä. Magnesiumia seostetaan hyvin monilla eri alkuaineilla. Painevaluun käytetään magnesium-alumiini-mangaani, magnesium-alumiini-sinkki ja magnesium-alumiini-pii seoksia. Pääseosaine kaikissa magnesiumin painevaluseoksissa on alumiini. Hiekkavaluun on standardoitu SFS-EN:en standardissa magnesium-alumiini-sinkki, magnesium-sinkki-kupari, magnesium-sinkki-maametalli(re)-zirkonium, magnesiummaametalli(re)-hopea-zirkonium ja magnesium-antimoni-maametalli(re)-zirkoniumseokset. Amerikkalaisissa standardeissa on vielä muitakin seoksia. Erotettu erilliseksi tiedostoksi (Tuula Höök) Metalliseokset - 3

4 Kokillivaluun käyvät samat seokset kuin hiekkavaluunkin. Magnesiumseoksia käsittelee SFS-EN:en -standardi: SFS-EN 1753:en - Magnesium and magnesium alloys. Magnesium alloy ingots and castings Kupariseokset Valettavat kuparimetallit jaetaan valukupareihin (seosainepitoisuus alle 2.5 %) sekä kupariseoksiin. Valettavissa kupariseoksissa on kuparin lisäksi yhtä tai useampaa seosainetta vähintään 2,5 %. Kupariseoksia käytetään konstruktiomateriaalina kohteisiin, joissa tarvitaan hyvää syöpymiskestävyyttä. Syöpymiskestävyys ei juuri vaihtele eri kupariseoksilla. Poikkeuksen muodostavat sinkinkatoon taipuvaiset runsassinkkiset messingit. Muita materiaalinvalinnan perusteita ovat sähkön- tai lämmönjohtavuus, hyvät liukuominaisuudet tai kipinöimättömyys. Jos tarvitaan lujaa kuparipohjaista materiaalia, valitaan erikoismessinki, kupari-mangaanialumiiniseos tai alumiinipronssi. Muilla kupariseoksilla lujuus on vain tyydyttävä. Jos kappaleelta vaaditaan korroosionkestävyyttä, kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa tai jos väsymislujuudelle asetetaan suuria vaatimuksia, valitaan alumiinipronssi tai kupari-mangaani-alumiiniseos. Lueteltuja seoksia voidaan valaa hiekka- tai kokillivaluna. Kaikista kupariseoksista voidaan valaa painetiiviitä kappaleita. Parhaimmat painetiiveysominaisuudet saavutetaan lyijypitoisilla seoksilla. Kuparimetallit ovat tiheitä. Kupariseoksista tehdyt kappaleet on mitoitettava tarkkaan, jotta niistä ei tule liian painavia. Kupariseosten kimmomoduuli, venymis- eli 0,2-raja, murtolujuus ja murtovenymä kasvavat lämpötilan laskiessa. Kylmissä olosuhteissa ei tapahdu rakenteen haurastumista. Vastaavasti lämpötilan noustessa huoneenlämpötilan yläpuolelle mekaaniset ominaisuudet heikkenevät. Valettavia kupariseoksia ei voi käyttää rakenteisiin, jotka joutuvat kantamaan kuormituksia korkeissa lämpötiloissa. Kupariseokset sopivat kuitenkin hyvin kohteisiin, joissa rakenne altistuu korkealle lämpötilalle hapettavissa tai korrodoivissa olosuhteissa. Kupariseosten lastuttavuus riippuu lähinnä lyijyseostuksesta, mutta myös kahdesta faasista muodostuvat lyijyttömät tai vähälyijyiset punametallit ovat suhteellisen hyvin lastuttavia. Kupariseoksista valettuja kappaleita hitsataan vain korjaustarkoituksessa; kova- ja pehmeäjuottoa käytetään vähemmän kuin muokatuilla lajeilla. Valukuparien valettavuus on heikonpuoleinen, mutta kupariseoksilla se on parempi. Kupariseokset voidaan jakaa seuraaviin ryhmiin: messingit tinapronssit lyijytinapronssit alumiinipronssit punametallit erikoisseokset Kupariseoksia käsittelee SFS-EN-standardi: SFS-EN Kupari ja kupariseokset. Valuharkot ja valukappaleet Erotettu erilliseksi tiedostoksi (Tuula Höök) Metalliseokset - 4

5 Sinkkiseokset Sinkkiseokset ovat erittäin hyvin valettavia. Niiden sulamispiste on alhainen, C. Sinkkiseoksilla on myös hyvät lujuusominaisuudet ja lisäksi ne ovat hinnaltaan edullisia. Lujuusominaisuudet riippuvat kappaleen muodosta, seinämänpaksuudesta sekä käyttölämpötilasta. Lujuusominaisuudet heikkenevät nopeasti yli 100 C lämpötiloissa. Alumiiniseostus parantaa sinkkiseoksen lujuutta ja kovuutta sekä sulan juoksevuutta. Yli 4 % alumiiniseostus aiheuttaa kuitenkin hauraan rakenteen. Yleensä käytetään myös kupari- ja magnesiumseostusta. Pieni magnesiumlisäys (0,02 % - 0,06 %) ehkäisee raerajakorroosiota. Alumiinipitoinen painevalusinkki saattaa syöpyä raerajojaan pitkin esimerkiksi höyrypitoisessa paikassa tai meri-ilmastossa. Pienetkin epäpuhtauspitoisuudet aiheuttavat raerajaerkaumien muodostumisen. Pieni kuparilisäys parantaa lujuutta, mutta yli 1,5 % kuparipitoisuus vaikuttaa kappaleen mittapysyvyyteen. Sinkkiseoksille tyypillinen luonnollinen vanheneminen johtaa kappaleen mittojen kutistumiseen 0,01-0,1 %, jos sille ei ole suoritettu stabilointihehkutusta. Kuparipitoisia sinkkiseoksia ei pitäisi käyttää mittatarkkoihin kappaleisiin. Jos seoksessa on yli 0,10 % rautaa, se muodostaa rakenteeseen kovia rauta-alumiinikiteitä, jotka vaikeuttavat työstöä. Hiekkaan valetulle sinkille eräs tärkeä käyttökohde ovat olleet katodiseen korroosionsuojaukseen käytetyt Zn-anodit. Painevalusinkkejä käytetään mm. autoteollisuudessa, konttori-, pientietokone- ja leikkikaluteollisuudessa sekä heloituksissa ja lukoissa. On kehitetty myös konstruktiokäyttöön sopivia erikoislujia sinkki-alumiiniseoksia (ZA-8, ZA-12 ja ZA-27), jotka sopivat valettaviksi hiekkaja grafiittimuotteihin sekä paine- ja kokillivaluun. Valukappaleet ovat mittatarkkoja ja niillä on hyvä pinnanlaatu, lisäksi painetiiveys on myös ohuissa seinämissä erinomainen. ZA-seoksilla on myös kohtalainen kulutuskestävyys, sähkönjohtokyky sekä hyvä työstettävyys. Ne ovat kuitenkin erittäin herkkiä epäpuhtauksille (Fe, Pb, Cd, Sn). Pitoisuuksien yrittäessä sallitut määrät materiaalin ominaisuudet heikkenevät, raerajakorroosion vaara kasvaa ja kappaleet halkeilevat. Seoksilla tapahtuu ajan myötä vanhenemista, josta seuraa lujuusominaisuuksien heikkenemistä sekä kappaleen mittojen muuttumista. Sinkkiseoksia käsittelee SFS-EN -standardi: SFS-EN 12844:en - Zinc and zinc alloys. Castings. Specifications Erotettu erilliseksi tiedostoksi (Tuula Höök) Metalliseokset - 5