465102A Konetekniikan materiaalit, 5op

Transkriptio

1 465102A Konetekniikan materiaalit, 5op Luento n:o 2 kevytmetallit (Al, Ti, Mg) Timo Kauppi

2 2

3 Alumiini 3

4 Yleistä Alumiini on maankuoren kolmanneksi yleisin alkuaine hapen ja piin jälkeen. Alumiini ei esiinny luonnossa vapaana, vaan pääasiassa piin ja hapen yhdisteitä sekä yhdisteinä alkali- ja maa-alkalimetallien kanssa. Alumiinia on noin 8 % kaikkialla maaperässä, esimerkiksi kivissä ja savessa, kun esimerkiksi raudan pitoisuus on noin 5 %. Alumiinin valmistuksessa käytettyä raaka-ainetta bauksiittia syntyy kallioiden rapautuessa. Bauksiitti on sekoitus hydratoituneita mm. alumiinin, raudan ja titaanin oksideja. Tärkein ainesosa bauksiitissa on hydroksidi, joka esiintyy kahdessa eri muodossa, Al(OH) ja Al(OH 3 ). Kaupallisesti louhintakelpoinen bauksiitti sisältää % alumiinia.

5 Yleistä Puhdas alumiini on hopean harmaa, kevyt ja pehmeä metalli. Alumiini on erinomaisen korroosionkestävä metalli. Ilmassa alumiinin pintaan syntyy kova, äärimmäisen ohut ja tiivis alumiinioksidikerros, jonka paksuus ilmassa on 0,01-0,1 μm (1 μm = 0,001 mm). Kerros on hyvin tiivis ja se antaa alumiinille korroosionkestävyyden. Kerroksen kasvu pysähtyy itsestään kuivassa ilmassa parissa päivässä. Kosteassa ja kohonneessa lämpötilassa oksidikerros kasvaa nopeammin ja siitä tulee paksumpi. Jos oksidikalvo vaurioituu mekaanisesti, se muodostuu uudelleen välittömästi.

6 Yleistä Alumiinilla ei ole haurasmurtumataipumusta p.k.k.- hilarakenteensa ansiosta. Iskusitkeys on matalissa lämpötiloissa suunnilleen sama kuin huoneenlämpötiloissa. Alumiinin näitä ominaisuuksia hyödynnetään mm. nesteytettyjen kaasujen kuljetus- ja varastointisäiliöissä, esim. LNG - säiliöt (-163 C). Alumiini ei muuta mikrorakennettaan kuumennettaessa korkeisiin lämpötiloihin, joten sille ei voida tehdä samanlaista lujuutta lisäävää karkaisua kuin monille teräksille, jotka muuttavat kidemuotoaan kuumennettaessa austeniitiksi ja sen jälkeen nopeassa jäähdytyksessä martensiitiksi. Alumiini on monoforminen metalli, jonka kidemuoto säilyy samana pintakeskisenä kuutiollisena.

7 Yleistä Alumiinin perusominaisuuksia ovat mm. keveys, matala sulamispiste, suuri sähkön- ja lämmönjohtavuus ja suuri lämpölaajenemiskerroin, jotka vaikuttavat kukin omalla tavallaan mm. hitsaukseen. Alumiini on erinomaisen korroosionkestävä metalli pinnalle muodostuneen äärimmäisen ohuen (0,01-0,1 μm) oksidikerroksen (kalvon) ansiosta. Kerros on hyvin tiivis ja se suojaa alumiinia ympäristön tavanomaisilta haittavaikutuksilta. Se kestää hyvin useimpia nesteitä (kemikaaleja) ja kaasuja. Jos kerros vaurioituu mekaanisesti, se muodostuu ilmassa uudelleen välittömästi muutamissa sekunneissa.

8 Yleistä Alumiinin tärkeimpiä käyttäjiä ovat kuljetusväline-, rakennus-, pakkaus- ja sähkötarviketeollisuus, ts. suurta osaa alumiinituotteista käytetään ilmastollisissa olosuhteissa, joissa alumiinin korroosionkestävyys on erinomainen ja alumiinia voidaan käyttää ilman minkäänlaista korroosionsuojaa. Monien hyvien ominaisuuksiensa ansiosta alumiinista on tullut raudan (teräksen) jälkeen eniten käytetty metalli. Luonnollisesti ominaisuuksien painottaminen hyviin (+) ja huonoihin (-) riippuu arvioijasta ja käyttökohteesta.

9 Yleistä

10 Yleistä

11 Yleistä

12 Yleistä

13 Yleistä

14 käyttökohteita

15 käyttökohteita

16 käyttökohteita

17 käyttökohteita

18 Alumiiniseokset Puhdas alumiini on hyvin pehmeä ja muokattava metalli, jonka murtolujuus on hyvin matala, noin 60 MPa. Lujuutta voidaan nostaa seostamalla siihen mangaania (Mn) ja/tai magnesiumia (Mg), aina lähelle arvoa 300 MPa. Seosten lujuutta voidaan vielä nostaa kylmämuokkaamalla. Seosaineiden, pii (Si), sinkki (Zn), kupari (Cu) ja magnesium (Mg), avulla voidaan aikaansaada sopivalla seoskoostumuksella lämpökäsiteltäviä ( karkenevia ) seoksia, joiden lujuudet lämpökäsittelyn jälkeen ovat tavallisten rakenneterästen luokkaa.

19 Alumiiniseokset Karkenematon (ei-lämpökäsiteltävä) seos on sellainen seos, joka on lujitettavissa vain kylmämuokkaamalla. Karkeneva (lämpökäsiteltävä) seos on sellainen seos, joka on lujitettavissa sopivalla lämpökäsittelyllä, so. erkautuskarkaisulla.

20 Alumiiniseokset Standardin SFS-EN (Alumiini ja alumiiniseokset. Muokattujen tuotteiden kemiallinen koostumus ja tuotemuodot. Osa 1: Numeerinen merkintäjärjestelmä, 2005), mukainen numeerinen merkintäjärjestelmä (numerosarjat) on yhteneväinen kansainvälisen AAjärjestelmän (Aluminium Association -järjestö) kanssa, joka hoitaa kansainvälistä nimikejärjestelmää.

21 Alumiiniseokset Muokattaville alumiiniseoksille järjestelmä perustuu seosten pääseosaineisiin seuraavasti: 1xxx (1000-sarja): Al, väh. 99,00 % 2xxx (2000-sarja): kupari (Cu) 3xxx (3000-sarja): mangaani (Mn) 4xxx (4000-sarja): pii (Si) 5xxx (5000-sarja): magnesium (Mg) 6xxx (6000-sarja): magnesium (Mg) ja pii (Si) 7xxx (7000-sarja): sinkki (Zn) 8xxx (8000-sarja): muut seokset

22 Karkenemattomat seokset Karkenemattomien seosten lujuutta voidaan nostaa pelkästään kylmämuokkauksella. Näihin seoksiin kuuluvat seuraavat seossarjat: 1000-sarja (seostamattomat alumiinit) 3000-sarja (AlMn-seokset) 4000-sarja (AlSi-seokset) 5000-sarja (AlMg-seokset) 8000-sarja (muut seokset, joihin kuuluu myös karkenemattomia seoksia)

23 Karkenemattomat seokset Seostamattoman (puhtaan) alumiinin (1000-sarja) puhtausaste on vähintään 99,00 %. Puhtaan alumiinin lujuusarvot ovat vaatimattomat. Seostamattoman alumiinin sähkön- ja lämmönjohtavuus, muokattavuus ja korroosionkestävyys ovat yleensä paremmat kuin seostetuilla alumiineilla. Seostamatonta alumiinia käytetään mm. elintarvike- ja kemiallisen teollisuuden pakkauksissa ja laitteissa, rakennusteollisuudessa koristelistoina ja kattolevyinä sekä moniin erilaisiin sähkö- ja elektroniikkateollisuuden sovellutuksiin.

24 Karkenemattomat seokset AlMn-seosten (3000-sarja) käyttö hitsatuissa rakenteissa on vähäistä seostamattomien alumiinien tapaan lähinnä melko matalien lujuusominaisuuksien takia. Korroosionkestävyys ja muovattavuus ovat hyvät. Ne ovat tyypillisiä rakentamiseen ja rakennusosien valmistamiseen käytettyjä seoksia, kuten lämpölasien välilistat, kattosäleiköt ja seinäkasetit. Seoksia käytetään myös vedettyinä putkina. Esim. AW-3103 (AlMn1) ja AW-3105 (AlMn0,5Mg0,5).

25 Karkenemattomat seokset AlSi-seoksia (4000-sarja) käytetään hyvin vähän muokattuina tuotteina, mutta kuitenkin enemmän hitsauslisäaineina (hitsauslankoina), esim. AlSi5 (4043) ja AlSi12 (4047). Erilaisia AlSi-seoksia käytetään paljon myös valuina, esim. valuseos EN AC (AlSi12), ns. silumiini.

26 Karkenemattomat seokset AlMg-seosten (5000-sarja) pääseosaine on magnesium, joka toimii seoksessa liuoslujittajana. Kaupallisissa AlMgseoksissa magnesiumpitoisuus rajoittuu yleensä noin 5 %:iin, jonka jälkeen sitkeys laskee liiaksi. Seoksilla on hyvä korroosionkestävyys myös klorideja vastaan (esim. merivesi), mistä syystä näitä seoksia kutsutaan joskus merialumiineiksi. Seosten lujuus kasvaa magnesiumin määrän myötä, mutta muokattavuus, mm. pursotettavuus, vastaavasti heikkenee. Pursotettuina profiileina nämä seokset ovat harvinaisia johtuen lujittamismahdollisuuksien puutteesta. Yleensä näitä seoksina käytetään levyinä, jolloin valssattuna saavutetaan kohtalaiset lujuusarvot

27 Karkenemattomat seokset AlMg-seosten (5000-sarja) pääseosaine on magnesium, joka toimii seoksessa liuoslujittajana. Kaupallisissa AlMgseoksissa magnesiumpitoisuus rajoittuu yleensä noin 5 %:iin, jonka jälkeen sitkeys laskee liiaksi. Seoksilla on hyvä korroosionkestävyys myös klorideja vastaan (esim. merivesi), mistä syystä näitä seoksia kutsutaan joskus merialumiineiksi. Seosten lujuus kasvaa magnesiumin määrän myötä, mutta muokattavuus, mm. pursotettavuus, vastaavasti heikkenee. Pursotettuina profiileina nämä seokset ovat harvinaisia johtuen lujittamismahdollisuuksien puutteesta. Yleensä näitä seoksina käytetään levyinä, jolloin valssattuna saavutetaan kohtalaiset lujuusarvot

28 Karkenemattomat seokset

29 Karkenemattomat seokset

30 Karkenevat seokset Karkenevien seosten lujittaminen tehdään lämpökäsittelyllä, ns. erkautuskarkaisu. Alumiiniseoksen koostumuksen pitää olla sellainen, että se on erkautuskarkeneva. Tällaisia karkenevia seoksia ovat: 2000-sarja (AlCu) 6000-sarja (AlMgSi) 7000-sarja (AlZnMg) 8000-sarja (muut seokset, joihin kuuluu myös karkenevia seoksia)

31 Karkenevat seokset AlCu-seokset (2000-sarja) ovat lujia seoksia. Lujuus saadaan aikaan kupariseostuksella ja erkautuskarkaisulla, jolloin syntyy lujittavia Al2Cu- ja Al2CuMg-erkaumia. Esim. seoksen EN AW-2024 (AlCu4Mg1) myötöraja on tilasta riippuen N/mm2. Näitä seoksia käytetään mm. suurta lujuutta vaativissa kohteissa, esim. kone-elimet ja lentokoneteollisuus ( lentokonealumiini ). Duralumiini on tunnettu kupariseosteinen alumiiniseos AlCu4MgSi (2017), jossa on kuparia noin 4 %. AlCuseosten hitsattavuus vaihtelee ja joidenkin seosten hitsattavuus on hyvin rajoitettu. Korroosionkestävyys ei ole kuitenkaan erityisen hyvä.

32 Karkenevat seokset AlMgSi-seokset (6000-sarja) ovat karkenevien seosten joukossa tärkein seosryhmä, jonka seokset sisältävät vaihtelevasti 0,3-1,2 % magnesiumia ja 0,2-1,3 % piitä. Jo muutama kymmenesosa prosenttia piitä ja magnesiumia tekee seoksesta erkautuskarkenevan ja antaa riittävän lujuuden seokselle. Seokset ovat pienten pitoisuuksien takia kuumahalkeiluarkoja. Seosaineiden lisääminen muutamiin prosentteihin huonontaa kuitenkin erinomaista pursotettavuutta ja korroosionkestävyyttä. Näiden seosaineiden ansiosta erkautuskarkaisussa syntyy lujittavia Mg 2 Si-erkaumia.

33 Karkenevat seokset Näistä seoksista voidaan pursottaa helposti hyvinkin monimuotoisia profiileita, jotka ovat pinnaltaan korkealuokkaisia. Yli 80 % kaikista pursotetuista tuotteista valmistetaan juuri 6000-sarjan seoksista. Ryhmään kuuluu hyvin monia seosainepitoisuuksiltaan toisistaan hieman poikkeavia seoksia, esim.: EN AW-6060 (AlMgSi) EN AW-6063 (AlMg0,7Si) EN AW-6082 (AlSi1MgMn)

34 Karkenevat seokset Seokselle EN AW-6082 T6-tilassa (liuotushehkutettu ja keinovanhennettu) ainestandardissa pursotetulle tangolla Rp0,2-rajan vähimmäisvaatimus on 260 MPa ja murtolujuuden Rm vähimmäisvaatimus 310 MPa. Hitsausliitokselle vastaavat arvot ovat järjestyksessä 125 MPa ja 185 MPa. Tämä seos soveltuu erinomaisesti erilaisiin kantaviin rakenteisiin, esim. pursotettuina profiileina mm. laivanrakennuksessa, sillanrakennuksessa ja antennimastoissa.

35 Karkenevat seokset AlZnMg-seokset (7000-sarja) ovat lujia alumiiniseoksia, joiden lujuus perustuu mm. MgZn2-erkaumien syntymiseen erkautuskarkaisussa. Jos AlZnMg-seokset ei sisällä mainittavasti kuparia, seokset ovat melko lujia, hyvin hitsattavia eivätkä sammutusherkkiä. Jos seokset sisältävät kuparia, ne ovat lujia, tyypillisiä lentokoneteollisuuden seoksia.

36 Karkenevat seokset

37 Karkenevat seokset

38 Karkenevat seokset

39 Valuseokset Valuseoksia on laaja valikoima sekä karkenemattomia että karkenevia. Valuseokset jaetaan seitsemään eri ryhmään seosten koostumuksen perusteella. Valuseokset erotellaan myös käytettävän valumenetelmän mukaan hiekka-, kokillija painevaluseoksiin. Valuja käytetään runsaasti mm. kuljetusvälineteollisuudessa painon säästämiseksi. Vaatimukset alumiinivalujen kemialliselle koostumukselle ja mekaanisille ominaisuuksille on esitetty standardissa SFS-EN 1706: 1998 (Alumiini ja alumiiniseokset. Valut. Kemiallinen koostumus ja mekaaniset ominaisuudet). Taulukossa 10.7 on annettu kemiallisia koostumuksia valikoimalle valuseoksia.

40 Valuseokset

41 Erkautuskarkaisu Alumiinille tehtävä lujuutta nostava lämpökäsittely on erkautuskarkaisu (engl. precipitation hardening), joka koostuu kolmesta eri vaiheesta, kuva Standardin SFS-EN 515 määritelmät ovat seuraavat: Liuotushehkutus (engl. solution heat-treating) on lämpökäsittely, jossa tuote kuumennetaan sopivaan lämpötilaan ja pidetään tässä lämpötilassa riittävän kauan seoksessa olevien seosaineiden liuottamiseksi. Lämpötila on alle sulamislämpötilan. Jäähdytys (engl. cooling) tehdään liuotushehkutuksen jälkeen riittävän nopeasti huoneenlämpötilaan liuenneiden seosaineiden pitämiseksi liuoksessa.

42 Erkautuskarkaisu Vanhentaminen (engl. ageing): Seosaineiden erkauttaminen ylikylläisestä jähmeästä liuoksesta, jonka seurauksena seoksen ominaisuudet muuttuvat. Vanhentaminen tapahtuu yleensä hitaasti huoneenlämpötilassa (luonnollinen vanhentaminen, engl. Natural ageing) tai nopeammin korotetussa lämpötilassa (keinovanhentaminen, engl. artificial ageing).

43 Erkautuskarkaisu

44 Erkautuskarkaisu AlCu-seos on esimerkki karkenevista seoksista. Muutaman prosentin kupariseostuksella ja erkautuskarkaisulla alumiinin lujuus nousee merkittävästi. Tämä johtuu erittäin pienten kupari-alumiinipartikkelien, joita kutsutaan Al 2 Cu-erkaumiksi, muodostumisesta vanhennuksessa. Nämä erkaumat syntyvät, jos kuparipitoisuus kasvaa suuremmaksi kuin alumiini voi liuottaa huoneenlämpötilassa.

45 Erkautuskarkaisu Kuparin liukoisuus alumiiniin kasvaa lämpötilan kasvaessa tasapainopiirroksen mukaan. Kun seos jäähtyy hitaasti korkeasta lämpötilasta, tuloksena on tasapainon mukainen kaksifaasinen mikrorakenne, jossa toinen faasi (Al 2 Cu) on suurina partikkeleina toisen faasin (AlCu jähmeä liuos) raerajoilla. Tuloksena on hauras rakenne. Erkautuskarkaisussa seos jäähdytetään huoneenlämpötilaan yksifaasialueelta niin nopeasti, ettei toinen faasi ehdi erkautua. Materiaali jää epästabiiliksi jähmeäksi liuokseksi. Tämän jälkeen tehdään vanhentaminen, jolloin erittäin hienot partikkelit eli erkaumat erkautuvat rakeiden sisällä haurastamatta metallia.

46 Nimikejärjestelmä Numeerinen nimike: EN AW-5052 etuliite EN, jota seuraa tyhjä väli kirjain A, joka tarkoittaa alumiinia (engl. aluminium) kirjain W, joka tarkoittaa muokattua tuotetta (engl. wrought) Väliviiva neljän numeron numerosarja tarkoittaa tiettyä kemiallista koostumusta (SFS-EN 573-3)

47 Nimikejärjestelmä Nelinumeroisen nimikkeen (numerosarjan) ensimmäinen numero ilmaisee seosryhmän seuraavasti: alumiini, vähintään 99,00 %: 1xxx (1000-sarja) kupari: 2xxx (2000-sarja) mangaani: 3xxx (3000-sarja) pii: 4xxx (4000-sarja) magnesium: 5xxx (5000-sarja) magnesium ja pii: 6xxx (6000-sarja) sinkki: 7xxx (7000-sarja) muut seosaineet: 8xxx (8000-sarja)

48 Nimikejärjestelmä SFS-EN 573-3:2013 (Alumiini ja alumiiniseokset. Muokattujen tuotteiden kemiallinen koostumus ja tuotemuodot. Osa 3: Kemiallinen koostumus ja tuotemuodot) standardiin sisältyy yhteensä lähes 200 erilaista seosta eri sarjoissa seuraavasti: 1000-sarja (Al): 17 kpl, 2000-sarja (AlCu): 18 kpl, 3000-sarja (AlMn): 13 kpl, 4000-sarja (AlSi): 12 kpl, 5000-sarja (AlMg): 43 kpl, 6000-sarja (AlMgSi): 32 kpl, 7000-sarja (AlZnMg): 27 kpl ja 8000-sarja (muut): 11 kpl

49 Nimikejärjestelmä Standardissa SFS-EN esitetään alumiinien ja alumiiniseosten nimikejärjestelmä, joka perustuu ensisijaisesti alkuaineiden kemiallisiin merkkeihin. Se muistuttaa hyvin paljon monien eurooppalaisten maiden aikaisemmissa kansallisissa standardeissa oleviin vanhoihin ISO standardeihin perustuvia seostunnuksia (nimikkeitä), jotka perustuivat myös samalla tavalla kemialliseen koostumukseen. Standardissa todetaan myös, että nimikkeet on tarkoitettu täydentämään nelinumeroisia nimikkeitä ja, että nimikkeet kirjoitetaan yleensä hakasulkuihin nelinumeroisen nimikkeen jälkeen.

50 Nimikejärjestelmä Nimikkeet perustuvat alkuaineiden kemiallisiin merkkeihin, joita tavallisesti seuraa alumiinin puhtautta tai seoksissa keskeisten seosaineiden nimellispitoisuuksia ilmaisevat numerot. Seostamattoman alumiinin nimike muodostuu kemiallisesta merkistä Al, jonka perään tulee pitoisuus prosentteina yhdellä tai useammalla desimaalilla: Seostamaton alumiini: EN AW-1199 [Al99,99]

51 Nimikejärjestelmä Alumiiniseoksen nimike muodostuu tunnuksesta Al, jonka perään lisätään pääseosaineen tai pääseosaineiden tunnukset. Usein näiden tunnusten perässä on lukuarvo, joka ilmaisee seosaineen nimellispitoisuuden painoprosentteina. Alumiiniseos: EN AW-6061 [AlMg1SiCu] Valuseosten numeeriset nimikkeet voidaan täydentää tarvittaessa seostunnuksella: EN AC-42000KT6 [AlSi7MgFe] A: alumiini (engl. aluminium), C: valu (engl. cast), 42000: numeerinen nimike, K: kokillivalu, T6: tila, AlSi7MgFe: seostunnus

52 Toimitustilat Toimitustilalla eli tilalla (engl. temper) tarkoitetaan sitä valmistus-, muokkaus- ja lämpökäsittelytilaa, johon alumiinipuolivalmiste on saatettu haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Alumiinien tilamerkinnät esitetään standardissa SFS-EN 515:1993 (Alumiini ja alumiiniseokset. Muokatut tuotteet. Tilojen tunnukset). Perustilojen tilojen merkinnät on annettu taulukossa Tilaa osoittava merkintä liitetään seosmerkinnän jälkeen, esim. EN AW-5754-H18. Perustilat ovat seuraavat: F: valmistustila (engl. as fabricated), O: hehkutettu (engl. annealed), H: muokkauslujitettu (engl. strain-hardened), W: liuotushehkutettu (engl. solution heat-treated)ja T: lämpökäsitelty (engl. thermally treated)

53 Toimitustilat F-tila. Tuote on saanut vapaasti jäähtyä valmistusprosessista, joka voi olla esim. pursottaminen, muokkaus, kuumavalssaus tai valaminen. Vaatimuksia mekaanisille ominaisuuksille ei ole annettu. O-tila. Tuote on hehkutettu pehmeäksi, mikä antaa sille parhaan mahdollisen muokattavuuden. Lujuus on matala. O-kirjaimen jälkeen voi olla numeroilla osoitettavia lisämääreitä. H-tila. Tuotteen lujuus on saatu aikaan kylmämuokkaamalla F- tai O-tilojen jälkeen. Kylmämuokkauksen jälkeen voidaan myös tehdä osittainen lämpökäsittely. Lämpökäsittelyn tyyppi ja kylmämuokkauksen määrä ilmoitetaan tunnuksen H jälkeen vähintään kahdella merkillä.

54 Toimitustilat H-tilamerkintää käytetään vain karkenemattomille seoksille: H1x: vain muokkauslujitettu H2x: muokkauslujitettu ja osittain hehkutettu H3x: muokkauslujitettu ja stabiloitu H12: vain muokkauslujitettu, 1/4-kova H14: vain muokkauslujitettu, 1/2-kova H18: vain muokkauslujitettu, 4/4-kova (täyskova), vastaa noin 75 %:in kylmämuokkausreduktiota H32: muokkauslujitettu ja stabiloitu, 1/4-kova

55 Toimitustilat W-tila. Tuote on liuotushehkutettu epästabiiliin tilaan. Se soveltuu ainoastaan karkeneville seoksille, jotka vanhenevat huoneenlämpötilassa liuotushehkutuksen jälkeen. Kirjaimen jälkeen ilmoitetaan vanhenemisaika tunteina. Tätä tilatunnusta käytetään harvoin. T-tila. Tuote on liuotuskäsitelty (liuotushehkutettu ja luonnollisesti vanhennettu tai keinovanhennettu) halutun lujuuden saavuttamiseksi ja käytännöllisesti katsoen stabiiliin tilaan. Lämpökäsittelyn jälkeen voidaan tehdä myös kylmämuokkaus.

56 Toimitustilat T-kirjaimen jälkeen tulee ainakin yksi numerotunnus, joka kertoo tarkemmin tilan. T-tilamerkintää käytetään vain karkeneville (lämpökäsiteltäville) seoksille. Yleisesti käytettyjä T-tiloja: T4: liuotushehkutettu ja luonnollisesti vanhennettu (engl. solution heat-treated and naturally aged) T6: liuotushehkutettu ja keinovanhennettu (engl. solution heat-teated and artificially aged)

57 Nimikejärjestelmä

58 Nimikejärjestelmä

59 Oksidikalvo Alumiinilla on hyvin suuri hapettumistaipumus. Se hapettuu ilman hapen vaikutuksesta erittäin herkästi, minkä tuloksena alumiinin pinnalle muodostuu äärimmäisen ohut oksidikalvo (Al 2 O 3 ). Vaikka oksidikalvo on äärettömän ohut, se antaa alumiinille kuitenkin hyvän korroosionkestävyyden. Ilmassa syntyneen oksidikalvon paksuus on tyypillisesti 0,01-0,1 μm (1 μm = 0,001 mm). Kosteassa ilmassa oksidikerros voi kasvaa vielä paksummaksi. Tällä tavalla muodostunut oksidikerros käsittää tavallaan kaksi päällekkäistä kerrosta, melkein huokosettoman alumiinioksidia olevan kerroksen ja sen päällä huokoisen vettä (H 2 O) sisältävän kerroksen, jossa on mukana kiteistä alumiinihydroksidia Al(OH) 3.

60 Oksidikalvo

61 Oksidikalvo Oksidikalvolla on suuri merkitys alumiinin hitsaukselle. Koska sen sulamispiste on hiukan yli 2000 C, niin valokaari ei pysty juurikaan sulattamaan sitä. Se vaikuttaa huomattavasti hitsisulan liittymiseen perusaineeseen, jos sitä ei poisteta. Oksidikalvo toimii kuin eriste, joka voi estää sulan ja railopintojen yhtymistä, mikä aiheuttaa liitosvirheitä, kylmäjuoksuja. Esimerkki 3. Alumiinin ja alumiinioksidin sulamispisteet. Al: 660 C Al 2 O 3 : 2050 C

62 Oksidikalvo Oksidikalvo on poistettava juuri ennen hitsausta. Kaasukaarihitsauksessa (MIG- ja TIG hitsaus) valokaarella hitsauksessa on kyky poistaa (ns. pintapuhdistuskyky) oksidikalvo ja inertti suojakaasu estää hapettumista. Valokaaren pintapuhdistuskyky, ns. katodinen puhdistus (engl. cathodic cleaning), esiintyy silloin, kun työkappale on kytketty -napaan eli hitsauslanka (MIG-hitsaus) ja elektrodi (TIG-hitsaus) +napaan (DC+).

63 Oksidikalvo

64 Titaani 64

65 Yleistä Titaani on maankuoressa yhdeksänneksi yleisin alkuaine. Se ei esiinny luonnossa puhtaana, vaan sitä löytyy monista oksideista ja silikaateista. Titaanin tärkeimmät malmit ovat mineraalit ilmeniitti eli rauta-titaanioksidi (FeTiO 3 ) ja rutiili eli titaanidioksidi (TiO 2 ). Titaania valmistetaan pääasiassa hapettamalla titaanitetrakloridia esimerkiksi kalsiumin ja magnesiumin avulla useiden reaktioyhtälöiden kautta puhtaaksi titaaniksi.

66 Yleistä Titaanilla ja sen seoksilla on useita erinomaisia ominaisuuksia, joita hyödynnetään laajalti, vaikka titaanin kilohinta on korkea: hyvät lujuusominaisuudet hyvät kuumalujuusominaisuudet hyvä sitkeys (myös matalissa lämpötiloissa) erinomainen korroosionkestävyys pieni lämmönjohtavuus hyvä hitsattavuus (useimmat seokset)

67 Yleistä Titaani on luja mutta kevyt metalli. Lujuudet ovat hyvinkin terästen luokkaa mutta ominaispaino on noin puolet (4,51 kg/dm3), minkä ansiosta titaanilla on hyvä ns. lujuus/paino-suhde. Se on hiukan yli puolitoista kertaa painavampaa kuin alumiini mutta huomattavasti lujempaa. Puhdas titaani on väriltään hopean värinen. Titaanilla on voimakas kemiallinen yhtymistaipumus hapen kanssa ja korroosionkestävyys perustuu sen pinnalla olevaan ja hyvin kiinni pysyvään oksidikalvoon, joka muodostuu jo lievästikin hapettavissa olosuhteissa. Kun puhdas titaanipinta joutuu kosketuksiin ilman kanssa, muodostuu pinnalle heti ohut, vain muutama nm paksu oksidikalvo.

68 Yleistä Passivoituneessa tilassa titaani on jalo metalli. Oksidikalvo on huomattavasti lujempi ja stabiilimpi kuin alumiinin ja ruostumattoman teräksen oksidikalvo. Erityisesti merivedessä ja kloridipitoisissa olosuhteissa titaanin korroosionkestävyys on erinomainen. Titaani syöpyy kuitenkin pelkistävissä olosuhteissa, joissa oksidikalvo liukenee eikä voi uusiutua rikkoonnuttuaan. Se ei kestä pelkistävissä hapoissa kuten suola-, fluorivety- ja rikkihapoissa.

69 Yleistä Titaaneja käytetään sekä seostamattomina että seoksina. Seosaineilla voidaan nostaa merkittävästi lujuusominaisuuksia. Yleinen titaaniseos on ASTM Grade 5 (TiAl6V4 tai Ti-6Al-4V), ns. lentokonetitaani, jonka lujuus on ultralujien terästen luokkaa, myötölujuus yli 800 MPa ja murtolujuus yli 900 MPa. Titaanien käyttö suuntautuu kohteisiin, joissa tarvitaan hyvää lujuus/paino-suhdetta ja/tai hyvää korroosionkestävyyttä. Sovellutuskohteita on runsaasti mm. ilmailu-, sotatarvike- ja avaruusteollisuudessa, jotka ovat tärkein käyttökohde ja joihin käytetäänkin valtaosa titaanista.

70 Yleistä Kun titaanin hintakehitys on ollut laskeva, niin käyttö on lisääntynyt myös laivanrakennuksessa, offshoreteollisuudessa sekä kemian prosessi- ja puunjalostusteollisuudessa. Titaania käytetään paljon myös kemianteollisuudessa, öljynjalostusteollisuudessa ja puunjalostusteollisuudessa, koska titaanin korroosionkestävyys on erinomainen. Titaania käytetään myös lääketieteellisissä sovelluksissa, mm. tekonivelissä, proteeseissa ja luunauloissa, koska titaani on kudoksia ärsyttämätön aine.

71 Yleistä Titaani ja titaaniseokset eivät ole taipuvaisia haurasmurtumaan, minkä ansiosta ne soveltuvat myös kryogeenisiin (kylmäteknisiin) sovellutuksiin. Titaania käytetään paljon myös titaanidioksidina (TiO 2 ) mm. maaleissa ja muoveissa. Vaikka titaani on lujuudessa teräkseen verrattavissa, sen kimmokerroin on vain noin puolet teräksen vastaavasta. Tästä syystä pyrittäessä samaan jäykkyyteen kuin teräsrakenteissa, joudutaan titaanin kanssa käyttämään suurempaa aineenpaksuutta, jolloin menetetään osa titaanin keveyden tuomasta edusta.

72 Yleistä

73 Titaaniseokset Titaanit jaetaan usein seuraavaan kolmeen pääryhmään. Seostuksen tavoitteena on yleensä nostaa lujuutta, mutta samalla korroosionkestävyys ja sitkeys yleensä kärsivät. Seosaineet suosivat joko alfa-faasia tai beta-faasia. Esimerkiksi Al, O, N ja C stabiloivat alfa-faasia, kun taas Mn, Cr, Fe, W ja Mo suosivat beta-faasia. Euroopassa ei ole ainestandardeja titaaneille, mistä syystä yleensä käytetään amerikkalaisia ASTM-standardeja ja niiden mukaisia lajeja sekä lujuuksia, esim. taulukot 13.3 ja 13.4.

74 Titaaniseokset

75 Titaaniseokset

76 Magnesium 76

77 yleistä Magnesium valitaan usein rakennemateriaaliksi silloin, kun keveys on tärkein valintaperuste. Onhan sen ominaispaino 33% alempi kuin alumiinin, 60% alempi kuin titaanin ja 77% alempi kuin teräksen. Toisaalta magnesiumseosten lujuus, sitkeys ja korroosionkestävyys ovat vaatimattomampia kuin alumiini- ja titaaniseoksilla. Magnesiumin ominaispaino 1.8 on lähellä muovien ominaispainoa, mutta magnesiumin metallinen jäykkyys ja lujuus ovat oleellisesti parempia kuin muoveilla. Magnesiumin valettavuus on hyvä, joten lukuisat magnesiumtuotteet valmistetaan valamalla. Leinonen J. luentomoniste.

78 yleistä Magnesiumin seokset jaetaan yleensä käytettävän valutekniikan perusteella (sand-casting tai die-casting) tai käyttötarkoituksen perusteella: seokset yleiskäyttöön tai sitkeisiin korkean lämpötilan käyttöön soveltuviin seoksiin. Useimmat magnesiumseokset ovat hyvin puhtaita, koska korkeat Fe, Ni ja Cu pitoisuudet heikentävät korroosionkestävyyttä. Magnesiumseosten pääseosaine on alumiini ja se parantaa lujuutta, korroosionkestävyyttä ja valettavuutta. Leinonen J. luentomoniste.

79 Fysikaaliset ominaisuudet

80 Ominaisuudet ved=0ahukewj8u- XXzoHQAhWOKywKHdbXBqIQFgg9MAM&url=http%3A%2F%2Fwww.afsinc.org%2Ffi les%2fimages%2fmagnes.pdf&usg=afqjcnfqepc4n5tngxtc2zaleoiappejga&bv m=bv ,d.bgs

81 Mg - Al

82 Ominaisuudet ved=0ahukewj8u- XXzoHQAhWOKywKHdbXBqIQFgg9MAM&url=http%3A%2F%2Fwww.afsinc.org%2Ffi les%2fimages%2fmagnes.pdf&usg=afqjcnfqepc4n5tngxtc2zaleoiappejga&bv m=bv ,d.bgs

83 Käyttökohteita

84 Ja tämänkin luennon teille tarjosi: Materiaali- ja tuotantotekniikan tutkimusyksikkö