Kuparimetallit. Kupari

Transkriptio

1 Kuparimetallit Kupari Ensimmäinen ihmiskunnan hyötykäyttöön ottama metalli, käytetty ~ 11,000 vuotta Yli puolet käytetään sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa => kuparien jaottelu Sähkötekniset ja ei-sähkötekniset kuparit 1

2 Yleisiä ominaisuuksia Suuri lämmön- ja sähkönjohtavuus Hyvä korroosionkestävyys Sitkeä Pinnanlaatu - kiillotettavuus Ei magneettinen Kipinöimätön Tiheys 8,9 g/cm 3 Kupari Sulamispiste 1084 C Hapettuu helposti Sähkönjohtavuus 2. sija Lujuus Riippuu seostuksesta ja toimitustilasta Puhdas kupari ~ m MPa, 0,2 raja MPa Lujin seos m lähes 1400 MPa E ~ 100 MPa Sitkeä, venymä riippuu toimitustilasta, suurimmillaan ~ 75% 2

3 Kuparimetallit Ryhmitellään seuraavasti 1. Kuparit Puhdistetut kuparit, joiden kuparipitoisuus on vähintään 99,85 % 2. Kupariseokset Sisältävät haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi yhtä tai useampaa seosainetta, kuten esimerkiksi sinkkiä, tinaa, lyijyä, alumiinia, arseenia, nikkeliä tai rautaa 3. Seostetut kuparit, joiden kuparipitoisuus on vähintään 97,5 % Seostettujen kupareiden seosaineet on lisätty antamaan kuparille perusaineesta poikkeavia ominaisuuksia Seostetut kuparit (mm.) Cu Zn, sinkkiseokset Messingit Cu - Sn Pronssit ja punametallit Cu Al Alumiinipronssit Cu Ni Nikkelikuparit Cu NI Zn Uushopeat 3

4 Cu Be, Berylliumkupari (beryllimpronssi) Lujin kuparimetalleista Lujuus suurimmillaan erikoislujien terästen luokkaa (1300 MPa) Käyttö mm. Valumuotteina Jousina Standardiliittimissä Tietokoneosissa Gyroskoopeissa Avaruussukkuloiden satelliittien ja ohjusten tukirakenteissa Beryllium on karsinogeeni Puhdas kupari Puhdas kupari on sähkö- ja elektroniikkateollisuuden materiaali Aikoinaan rakennusmateriaalina Messinki Lujempia kuin puhdas kupari Hyvä lastuttavuus Kovuus kulumisen kestävyys Miellyttävä väri 4

5 Valmistettavuus Valettavuus Hyvä erittäin hyvä Lastuttavuus Kohtuullinen erittäin hyvä Muovattavuus Olematon erittäin hyvä Hitsattavuus Huono kohtuullinen Kiillotettavuus Hyvä erinomainen Lastuttavuus 5

6 Kuparimetallien käyttökohteita Cu Zn Merivesiputkistoja, suolanpoistolaitteita Lämmönvaihtimia Julkisivujen verhouksia Cu Be( N/mm 2 ) Jousia Liittimiä (elektroniikka) Releitä Cu Sn Hammaspyöriä Kierukkapyöriä Liukulaakereita Kuparimetallien käyttökohteita Cu Zn Merivesiputkistoja, suolanpoistolaitteita Lämmönvaihtimia Julkisivujen verhouksia Cu Be( N/mm 2 ) Jousia Liittimiä (elektroniikka) Releitä 6

7 Kuparimetallien käyttökohteita Cu Ni Liukulaakereita Vesikalusteita Cu Kolikoita 7

8 Kuparimetallien käyttökohteita Cu Ni Al Fe - Ni Valtamerialusten potkureita Cu Ni Zn (uushopea, alpakka) Koriste-esineitä Ruokailuvälineitä Potkurin Ø => 6,6 m Paino => kg 8

9 Superseokset Superseokset Säilyttävät lujuutensa Hyvä korroosion ja hilseilynkestävyys Hyvä virumiskestävyys Korkeissa lämpötiloissa Ni-pohjaiset Ni-Fe-pohjaiset Co-pohjaiset 9

10 Lujuus korkeissa lämpötiloissa Yield Myötölujuus Strength at F o C /310 Ni-Cr-Fe HS SS Ti-6-4 Super 12Cr H13 Superalloy Ni-pohjaiset Yleisimpiä lämpötiloissa C Hyvä virumislujuus Turbiininsiipi Erilliskide 10

11 Co-pohjaiset Erittäin hyvä kuumakorroosionkestävyys ja lujuus vielä lämpötiloissa C Tyypillisiä lämpötiloja turbiineissa ja palokammioissa 11

12 Metallien kierrätyksestä 12

13 Siitä huolimatta, että esim. rauta ja alumiini kuuluvat maankuoren yleisimpiin alkuaineisiin, kannattaa niiden kierrätys kannattaa, koska kierrätysraaka-ainetta hyödyntävä metallinjalostus säästää energiaa metallista riippuen prosenttia! 13

14 Metalleja voi kierrättää loputtomasti! Toisin kuin paperilla ja muovilla, teräksen ominaisuudet eivät heikkene kierrätyksessä! Teräksen kierrätys Teräksen ikuisen kierrätyksen rajoitteena on kupari Kierrätysteräksen kuparipitoisuus ei saa ylittää 0,25 % Radioaktiivisuus on kokonaan poissuljettu Esim auton painosta on keskimäärin Terästä 59 % Alumiinia ja valurautaa 7 % Sinkkiä ja kuparia 1,5 % Ruostumatonta terästä 1 % 14

15 Masuuniprosessi Pelletti 450 kg/trr Koksaamo Koksi 345 kg/trr Sintteri + 6 mm 1100 kg/trr Masuuni Pölysäkki Masuunikaasu 220 knm 3 /h Pesuri Sähkösuodin Fakkeli Siilolaitos Vaaka Masuunipöly 3 kg/trr Liete Kaasukello Voimalaitos ja koksaamo Suljettu jäähdytyssysteemi M2 M1 T1 Happi Nm 3 /h Kylmä ilma 140 knm3/h Happilaitos Cowperit Masuunikaasu 80 knm 3 /h Puhallusilma (1150 o C) Öljy 110 kg/trr Kuonan kaato Valuhalli Kuona 215 kg/trr Raakarauta ( o C) 3750 t/d Rikinpoistolaitos Granulointi 850 t/d Mikserit Harkkovalimo Alumiinin kierrätys Kallis valmistaa Halpa kierrättää Kierrätysalumiinin valmistuksessa energian tarve on vain 5 % bauksiitista tehtyyn raaka-alumiiniin verrattuna Al tölkki roskiin heitettynä vastaa n. 3 l bensan tuhlausta Toisin kuin paperilla ja muovilla, alumiinin ominaisuudet eivät heikkene kierrätyksessä! 15

16 Kuparin kierrätys Joissakin maissa messingin kierrätysprosentti on likimain 100 Toisin kuin paperilla ja muovilla, kuparin ominaisuudet eivät heikkene kierrätyksessä! Opintojakson päätavoitteet I-periodilla, 1. Oppia metalliopissa käytettävää terminologiaa 2. Oppia eri metallien valmistuksen perusteita 3. Oppia fysikaalisen metallurgian perusteita 4. Opastaa perusteita materiaalien ja eri valmistusmenetelmien yhteensopivuudesta 16

17 Sisällön painopisteitä 1. Metalliopin alkeet 2. Yleistä materiaaliominaisuuksista ja niiden mittaamisesta 3. Teräkset, nimitykset ja peruskäsittelyt 4. Alumiinit 5. Valuraudat I-periodi 6. Muita metallisia materiaaleja Miksi on tärkeää tietää perusasiat materiaalitekniikasta Materiaali Valmistus Seostus Lämpökäsittely Mikrorakenne Ominaisuudet Ongelma: Laaja kirjo materiaaleja, joilla on käytännössä samat mekaaniset ominaisuudet, MUTTA VALMISTETTAVUUS, KESTOIKÄ, KUSTANNUKSET? 17

18 Tyypillinen vetokoekäyrän muoto (matalalujuuksinen rakenneteräs) J ä n n i t y s Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä Tasavenymä Testikappale menee poikki (pysyvä Myötövenymä (palautuva) Suhteellinen venymä Palkin poikkileikkaus (paino), kun taipuma on rajoitettu F Lujuus kasvaa 50 % Lujuus kasvaa 270 % S235 S355 S640 18

19 Materiaaliominaisuuksia Kovuus Sitkeys Iskusitkeys Valmistettavuus Teräksen jähmettyminen tasapainopiirroksen mukaisesti = hitaasti Lopputulos on ferriittiä ja perliittiä, kun C-pit. <0,8 % sementiittiä ja perliittiä, kun C-pit. >0,8 % perliittiä, kun C-pit. = 0,8 % Perliitti lamellimaista ferriitin ja sementiitin seosta vuorottain ferriitti- ja sementiittilamelleja 19

20 Välisijaliuos Hiilen liukenevuuden erot - ja -Fe:n välisijoihin yhdessä allotropian kanssa on perusta terästen laajalle ominaisuuskirjolle Mahdolliset faasimuutokset Austeniitti Hidas jäähdytys Nopeutettu jäähdytys Nopea jäähdytys Perliitti+esieutektoid. faasi ( tai Fe 3 C) Bainiitti Martensiitti Lujuus Martensiitti Päästöm. Bainiitti Hienorak perliitti Karkearak perliitti Sitkeys Päästö Päästömartensiitti Yleisilme 20

21 Karkenevuus vs. kovuus Karkenevuus martensiitin synty Kovuus - hiilipitoisuus HRC Kovuus Seostettu teräs Seostamaton teräs HRC Kovuus ,2 0,5 0,7 Hiilipitoisuus mm 80 Etäisyys jäähdytyspäästä Karkaisun suorittaminen: Kuumentaminen (austenitoiminen) Sammuttaminen nopea jäähdytys Päästö kuumennus esim. max C, pitoaika 2 h sitkeys kasvaa ja kovuus laskee Nuorruttaminen Päästäminen korkeassa lämpötilassa ( C), vaihtoehto päästölle 21

22 Karkenevuus vs. kovuus Karkenevuus martensiitin synty Kovuus - hiilipitoisuus HRC Kovuus Seostettu teräs Seostamaton teräs HRC Kovuus ,2 0,5 0,7 Hiilipitoisuus mm 80 Etäisyys jäähdytyspäästä Karkaisun suorittaminen: Kuumentaminen (austenitoiminen) Sammuttaminen nopea jäähdytys Päästö kuumennus esim. max C, pitoaika 2 h sitkeys kasvaa ja kovuus laskee Nuorruttaminen Päästäminen korkeassa lämpötilassa ( C), vaihtoehto päästölle 22

23 Ruostumattomat teräkset Pääryhmät Austeniittiset Austeniittis-ferriittiset (duplex) Ferriittiset Martensiittiset K o r o s i o n k e t ä v y s Alumiini rakenneaineena Alumiinin ja sen seosten käyttö erilaisissa rakenteissa on lisääntynyt huomattavasti Alumiinin hyviä puolia lujuus-paino suhde korroosionkestävyys (ilmasto) helppo muotoilla helppo työstää helppo valaa pintakäsittely hygieenisyys 23

24 Pursotteet Ominaisuuksia Voimakas taipumus yhtyä happeen ja typpeen korkeissa lämpötiloissa Korroosionkestävyys on erinomainen alhaisissa lämpötiloissa, monissa olosuhteissa parempi kuin ruostumattomien terästen (passiivikalvo lujempi) 24

25 Lämmönvaihtimia Kemian- ja energiateollisuus Höyryturbiinin siivet Putkia ja putkistojen osia Selluloosa- ja peperiteollisuus 25

26 VÄLIKOE Ryhmätentti Aika ja paikka sovitaan erikseen 26