Metallikarbidit ja muut kovametallit. Joel Köykkä & Lauri Mäkinen

Transkriptio

1 Metallikarbidit ja muut kovametallit Joel Köykkä & Lauri Mäkinen

2 Käsitteistä Luokittelu carbide = karbidi, hiilen ja sitä elektropositiivisemman alkuaineen (metalli) yhdiste. Kovametalleista puhuttaessa tärkeimpiä ovat ryhmien 4, 5 ja 6 välisijakarbidit (TiC ja WC) hardmetals; cemented carbides = kovametallit cermets = kermetit; kerametallit Kovametallit merkitsevät käytännössä volframikarbidia ja sen seoksia kuten WC-Co Kermeteille useita määrittelyjä. ceramic metal 1) Keraamiset materiaalit sitoutuneena metallimatriisissa 2) Sintteröidyt kovametallit (esim. TiC seostettu) pois lukien WC-Co yhdisteet 3) Ti(C,N) pohjaiset keraamit, joilla ylivoimaiset ominaisuudet verrattuna WC-Co yhd.

3 Toimijoita alalla Betek GmbH, LV. 160 milj. China Minmetals Corporation, LV. $56 mrd. Xiamen Tungsten CO. Ltd; LV. $1,6 mrd. Nippon Tungsten Co. Ltd, $100 milj. Sandvik konserni, LV. 9,5 mrd. Atlas Copco AB, LV. 10 mrd. Plansee Group, LV. 1,3 mrd ticker=6998:jp Betek_GmbH Co_KG.4c841e9f6501fd19.html CH&dataset=incomeStatement&period=A&currency=US%20Dollar

4 Markkinat Vuonna 2012 valmistettiiin yli tonnia WC-Co Vastaa noin 60 % louhitusta ja kierrätetystä volframista Euroopan osuus 28 % ja Kiinan 39 % Markkinan koko vuonna 2011 noin 22 miljardia euroa Metallityöstön sovellusten osuus maailmanlaajuisesta liikevaihdosta on noin 65 %, mutta raaka-aine kulutuksesta vain 22 paino-% korkea jalostusarvon lisäys Muut merkittäviä kovametalleja, joiden valmistusmäärät useita kertaluokkaa WC:a pienempiä TiC, TiN, Ti(C,N) Kermetit niche markkinoilla Käytettyjä materiaaleja: TiAlN, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Cr3C2, UC, U2C...

5 Kovametallin rakenne ja ominaisuudet Mekaaniset ominaisuudet riippuvat materiaalin mikrorakenteesta faasit, niiden jakaumat, rajapinnat raekoko WC rakeet koboltti täyte/sidosaineessa WC antaa kovuuden (faasin m-% osuus 70-97), Co (yleensä fccmuoto) sitkeyden (toughness) WC:n heksagonaalinen rakenne. Hiiliatomilla on koordinaatio kuuteen volframiatomiin. Vahvat ominaisuudet ovat rakenteen timanttimaisen luonteen ansiota. SEM kuva tyypillisestä WC-Co mikrorakenteesta

6 Mekaanisista ominaisuuksista Ominaisuuksia hyvä kemiallinen kestävyys sulamispiste yli 2700 celcius erinomaiset mekaaniset ominaisuudet suuri Vickers kovuus >2600 suuri Youngin moduuli (elastinen moduuli) >600 GPa puristusvahvuus >3400 MPa murtumisvahvuus ja iskunkestävyys hyvä erinomainen kulutuskestävyys hyvä lämmönjohtavuus korroosiokestävyys: WC-Co kovametallilla heikohko paremipia ovat seostetut WCNi ja TiC-Co

7 Malmista kovametalliksi (WC-Co) 1. Volframiitti (Fe,Mn)WO4) Scheeliitti (CaWO4)

8 Volframikarbidin valmistusmenetelmistä Prosessit tiivistetysti alkuaine hiilen ja metallin tai metalliyhdisteen välisiä reaktioita Käytetyin menetelmä karburointi: hiilen ja metallin suora yhdistäminen 2000 C lämpötilassa ja suojakaasussa Käytetty menetelmä riippuu halutusta partikkekoosta ja käyttökohteesta. Merkittävimmät raekokoon vaikuttavat tekijät: lämpötila, hiilen määrä, epäpuhtaudet ja jälkipuristusaika Erittäin hienoja mikro- tai nanokoon hiukkasia saadaan valmistettua esimerkiksi jauhamalla karkeampaa tuotetta tehokkailla myllyillä Karbideja kierrätetään runsaasti: kätettyjen kovametallituotteiden prosessointi takaisin sinteröitäväksi.

9 Karburointi 1. Volframin ja hiilen sekoitus 2. WC-karburointi (1800 C) 3. Jauhatus (WC + Co + alkoholi + parafiini) 4. Kuivatus 5. Raeistus 6. Seulonta 7. Puristus 8. Sintraus (1400 C) 9. Jälkityöstö ja laadunvarmistus

10 Kovametallin kierrätys sinkkiprosessilla (Tikomet Oy)

11 Sovelluksia Materiaalien työstö, koneistus työstön insertit leikkaus, kuviointi, jyrsiminen, karbidisahat poranterät kaivostoiminta, öljynporaus teolliset suuttimet hiekkapuhallus, vesileikkaus, maaliruiskut ym. metallien taonta ja muokkaus prässäysterät, puristimet, alasimet metallivaijerien kylmäveto, valssausrullat 20Sandvik-carbide-inserts-pics.7.jpg K.H. Buchel, H.-M. Moretto & P. Woditsch, Industrial Inorganic Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2.p., 2000.

12 Sovelluksia Kuluvat osat Muita veitset, sakset, työkalut ja erityisesti niiden pinnoitteet hammasporat ja muut lääketieteen sovellukset esim biosensorit teolliset ohjainrullat tiivisteet ja laakerit liukulaakerit, kuulalaakerit tiivisterenkaat, neulat, kaulukset jne. polttimoiden langat maansiirron ja puunhakkuun sovellukset ANd9GcT75fQlrALyT_mtYphOurGY_04EGeiiiGni1aAC8 xmiqcqtyvuekw luotisuojaus, panssarit panssariammukset säteilysuojat korut ja sormukset seostukset raskaisiin metalleihin, vastapainot superseokset, joilla superominaisuudet: kaasuturbiinien osia ym ANd9GcSJq4_BqA655gwirb5Bqr9fnwivjupSE1eivdEj4umtO2 Prwr_9

13 Alan näkymät ja yrittäjyys - - Vuodesta 2012 kaivosteollisuuden tilausmäärä on supistunut - taustalla ylikapasiteetti ja ylitarjonta metallien voimakas hinnan lasku - mm. ruotsalaiset louhintatekniikan suuryritykset kärsineet investointien hidastuessa - metallityöstö liiketoiminnan osuus on kasvanut Sandvikilla - Volframia Suomessa ja Fennoskandiassa t ja suomessa 1500 t BRIC-maiden hidastuva talouskasvu? Työstö ja koneistus - merkittävin ja eniten innovoiva osa - uudet materiaalit; komposiitit, päällystys Ala on suurten toimijoiden hallinnassa - perinteisillä sovellusaloilla kilpailu lienee lähes mahdotonta - tutkimus - innovaatio - tuote (vrt. Exote Ltd.) - Sotateollisuus: pienenä toimija vaikeaa, erittäin pitkät tuotetestaukset, vaatii merkittäviä pääomia - keksi huipputuote - vakuuta asiakas yrityskauppa Ideoita: uudet päällystysmateriaalit, kovametallien seostaminen, uusia komposiitteja ja laminaatteja

14 Suomi (yritykset) Tikomet Oy Kovametallien kierrätyspalvelu Kovametallijätteen prosessointi sinkkiprosessilla uusiokovametallipulveriksi Global Tungsten & Powders (GTP) osti Tikometin 7/2015 Exote Ltd. Perustettu 2003 Luotisuojia ja panssarointeja kermetistä (Exote Armour), teolliset sovellukset Yhteistyössä VTT:n kanssa kehitetty, tutkimusta 1990-luvun puolivälistä Alunperin ideana ollut luoda korvaava kovametalli teollisuuteen Suomessa toimii useita kovametallituotteita toimittavia yrityksiä Työstötyökalujen valmistusta valmiista WC/Co profiilista, pinnoitusta Useissa dioissa kuvalähteenä käytetty: V.K. Sarin, D. Mari, L. Llanes, C.E. Nebel, Comprehensive Hard Materials: Volume 1 Hardmetals, Elsevier, Oxford, 2014.