Materiaalin valinta. Miksi tärkeää? Keskeinen kustannustekijä Tuotteen painon hallinta Laatutekijä Toiminta erilaisissa olosuhteissa

Transkriptio

1 Materiaalinvalinta

2 Materiaalin valinta Miksi tärkeää? Keskeinen kustannustekijä Tuotteen painon hallinta Laatutekijä Toiminta erilaisissa olosuhteissa Ongelmat! Teräksinen maailma Valmistustekniikka ja valmistusvirheet Materiaalin lämpö- ja/tai pintakäsittely Käyttöaika Ympäristön hallinta

3 Materiaalien pääluokat

4 Metallit suht. suuri kimmomoduuli voidaan lujittaa seostamalla, lämpökäsittelemällä ja muokkaamalla yleensä sitkeitä väsyminen tyypillinen ilmiö Keraamit ja lasit suuri kimmomoduuli hauraita (erityisesti vetokuormituksessa), murtuvat helposti jännityskeskittymien takia kovia, kulumista ja korkeita lämpötiloja kestäviä yleensä korroosiovapaita

5 Polymeerit ja elastomeerit monessa suhteessa metallien vastakohtia pieni kimmomoduuli (n. E met /50) lämpötilalla voimakas vaikutus - viruminen jopa huoneenlämpötilassa - eivät juuri kestä yli 200 C:n lämpötiloja - 0 C:n alapuolella saattavat olla hauraita helppo muovata soveltuvat massatuotantoon pieni kitkakerroin ei yleensä korroosio-ongelmia

6 Komposiitit yhdistelmiä materiaaliryhmistä yleensä polymeerimatriisi ja lujitteena lasi-, hiili- tai aramidikuitu myös metalli- ja keraamikomposiitteja yleensä kevyitä ja lujia voidaan valmistaa myös sitkeiksi komposiittiosat kalliita vaikeahkoja valmistaa ja liittää muihin rakenteisiin käytetään kevytrakennetekniikassa

7 Materiaalien perusominaisuudet Metallit Keraamit Polymeerit Komposiitit Lujia Jäykkiä Sitkeitä Sähköä johtavia Lämpöä johtavia Kovia Jäykkiä Hauraita Kulumista kestäviä Kuumalujia Melko lujia Joustavia Kestäviä Muotoiltavia Lämpötilaherkkiä Lujia Jäykkiä Kevyitä Monipuolisia Lämpötilaherkkiä

8 Materiaaliominaisuudet Tiheys lujuuden kimmokertoimen suhde tiheyteen (esim. / ) tai kimmokertoimen suhde tiheyteen (E/ ) merkitystä myös, koska materiaalin hinta määritellään kilohintana Kimmokerroin E kuvaa jännityksen ja muodonmuutoksen suhdetta seostus tai lämpökäsittely ei juuri vaikuta kimmokertoimeen jäykkyys on verrannollinen materiaalin kimmokertoimeen

9 Suhteellinen taivutusvastus (poikkileikkauksen ala on sama)

10 Suhteellinen vääntövastus (poikkileikkauksen ala on sama)

11 Suhteellinen nurjahduspituus (poikkileikkauksen ala on sama)

12 Pituuden lämpötilakerroin jos rakenteessa on eri materiaaleista valmistettavia osia, lämpötilanmuutosten aiheuttamat siirtymät ja rasitukset tulee tarkistaa lämpölaajenemisen vaikutukset tulee ottaa huomioon myös hitsauksessa ja lämpökäsittelyissä Lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti c metallien lämmönjohtavuus on parempi kuin polymeerien tai keraamien kupari- ja alumiiniseokset johtavat lämpöä hyvin austeniittisten ruostumattomien terästen lämmönjohtokyky on huono c ilmaisee kyvyn varastoida lämpöä

13 Lujuus myötöraja, murtolujuus, väsymislujuus, viruminen murtolujuus:

14 Sitkeys materiaalin käyttäytyminen murtumistilanteessa murtovenymä, murtumiseen kulunut energia yleensä lujuutta kohottavat tekijät alentavat sitkeyttä sitkeä/hauras murtuma Kovuus Brinell, Rockwell, Vickers metalleilla kovuus ja murtolujuus riippuvat toisistaan kulumiskestävyys yleensä paranee kovuuden kasvaessa

15 Kuluminen adheesiokuluminen abraasiokuluminen väsymiskuluminen tribokemiallinen kuluminen Korroosio sähkökemiallinen tai kemiallinen reaktio tasainen korroosio paikallinen korroosio: kuoppakorroosio rakokorroosio raerajakorroosio galv. korroosio

16 Materiaalien tuotanto maailmassa (tilastot vaihtel ) Materiaali Tuotanto (10 6 kg = 1000 t) Teräs Rauta Muovit Alumiini Mangaani Kupari Lyijy Kromi Nikkeli Tina Uraani Hopea Kulta ,2

17 Materiaalien menekki markkinoilla

18 Materiaalien vaatimukset Toimintojen vaatimukset muodon säilyttäminen kuorman kanto energian sitominen lämmönjohtokyky sähkönjohtokyky ulkonäkö paino status (öljysäiliö) (nostokoukku) (jousi, vauhtipyörä) (kattilalevy) (johdin) (auto) (lentokone) (Rolls Royce) Käyttöolosuhteiden vaatimukset lämpötila ja sen vaihtelut (lujuus, sitkeys, mikrorakenne) lämpötila ja aika (viruminen) ympäristö (ilmasto, kemiallinen / sähköinen ympäristö, säteily)

19 Valmistusmenetelmien vaatimukset materiaali (lujuus, sitkeys, kovuus) kappaleen koko ja muoto tuotantomäärä kappaleen toleranssit ja pinnanlaatu käytettävissä olevat valmistusmenetelmät (omat, alihankinta) Materiaalikustannukset suorat valmistuskustannukset - materiaalikulut - työkustannukset - lämpökäsittelykustannukset - viimeistelykustannukset varastointikustannukset - pääomakulut - käsittelykulut - testauskulut

20 Materiaalikustannusten osuus Työstökoneet, keskiraskaat Pienehköt laitteet Höyryturbiinit, alle 20 MW Työstökoneet, raskaat Höyryturbiinit, yli 20 MW Paikalliset dieselmoottorit Vesiturbiinit Rautatien henkilövaunut Suurehkot laitteet Rautatien tavaravaunut Henkilöautot Nosturit %

21 Tuotteiden yksikköhintoja Puunjalostus- ja terästeollisuus sellu, sahatavara, paperi, teräs Raskas koneteollisuus paperikoneet, dieselmoottorit, pumput, autot Kevyt koneteollisuus kodinkoneet ja -laitteet, polkupyörät, työkalut 0, eur/kg eur/kg eur/kg Elektroniikka, vapaa-aika, lääketieteellinen tekniikka tietokoneet, golfmailat, matkapuhelimet, silmälasit eur/kg

22 Materiaalien hintoja Teräs Ruostumaton teräs Alumiini Kupari Messinki Keraami Al 2 O 3 PVC POM (>PA) PTFE (teflon) 3 eur/kg 8-10 eur/kg 10 eur/kg 20 eur/kg 20 eur/kg 100 eur/kg 10 eur/kg eur/kg 50 eur/kg

23 Teräkset Merkintä SFS-EN :n mukaan 1 Käyttötarkoitukseen ja mekaanisiin tai fysikaalisiin ominaisuuksiin perustuva järjestelmä tavallisimmat tunnukset: S rakenneteräs P paineastiateräs L putkiteräs E koneteräs valetun teräksen tunnuksen eteen G-kirjain tunnuksen perään myötölujuuden R e vähimmäisarvo (N/mm2) esim. S235, E295 lisätunnuksilla ilmoitetaan mm. iskusitkeys, toimitustila ja käyttökohde esim. S355J2G3

24 Iskusitkeys Koelämpötila Iskuenergia jouleina (J) C 27 J 40 J 60 J 20 JR KR LR 0 JO KO LO -20 J2 K2 L2-30 J3 K3 L3-40 J4 K4 L4-50 J5 K5 L5-60 J6 K6 L6

25 2 Kemiallisen koostumuksen mukaan seostamattomat teräkset tunnus C, jonka perään liitetään hiilipitoisuuden prosenttiarvo kerrottuna 100:lla seostamattomat teräkset, joiden mangaanipitoisuus 1 %, seostamattomat automaattiteräkset ja seosteräkset, joilla jokaisen seosaineen pitoisuus on < 5 % hiilipitoisuuden prosenttiarvo x100 seosaineiden tunnukset (pitoisuuksien aleneva järjestys) seosaineiden pitoisuustunnukset seosteräkset (paitsi pikateräkset) kirjain X hiilipitoisuuden prosenttiarvo x100 seosaineiden tunnukset (pitoisuuksien aleneva järjestys) seosaineiden pitoisuustunnukset

26 Nuorrutusteräkset (SFS-EN 10083) nuorrutus on lämpökäsittely, jossa teräs karkaistaan ja päästö suoritetaan lämpötila-alueella C erinomainen lujuuden, sitkeyden ja väsymislujuuden yhdistelmä 2 C45 R e = 370 N/mm2 R m = N/mm2 25 CrMo 4 R e = 450 N/mm2 R m = N/mm2 42 CrMo 4 R e = 650 N/mm2 R m = N/mm2 34 CrNiMo 6 R e = 800 N/mm2 R m = N/mm2 ( 40 mm < d < 100 mm) käyttökohteita akselit, akselikytkimet ja kiertokanget hammasakselit ja suuret hammaspyörät ruuvit ja mutterit

27 Nuorrutusteräkset, booriteräkset lujat pultit ketjut kulutusosat

28 Hiiletysteräkset hiiletyskarkaisussa pintaan muodostuu ohut runsaasti hiiltä sisältävä pintakerros hyvä pinnan kulumis- ja väsymiskestävyys sekä taivutuslujuus 21NiCrMo2 R e = 490 N/mm2 R m = N/mm2 16MnCr5 R e = 590 N/mm2 R m = N/mm2 20MnCr5 R e = 690 N/mm2 R m = N/mm2 20NiCrMo5 R e = 690 N/mm2 R m = N/mm2 17CrNiMo6 R e = 780 N/mm2 R m = N/mm2

29 Ruostumattomat teräkset (SFS-EN ) kestävät hyvin korroosiota sitkeitä matalissa lämpötiloissa X2CrNi R p0,2 = 190 N/mm2 R m = N/mm2 X4CrNi 18 9 R p0,2 = 210 N/mm2 R m = N/mm2 X2CrNiMo R p0,2 = 210 N/mm2 R m = N/mm2 X4CrNiMo R p0,2 = 220 N/mm2 R m = N/mm2 X2CrMoTi 18 2 R p0,2 = 340 N/mm2 R m = N/mm2 käyttökohteita putket, säiliöt, venttiilit ruokailuvälineet, pesualtaat prosessiteollisuuden koneet ja laitteet kuljetussäiliöt

30 Valuraudat Suomugrafiittirauta halpa hyvät valuominaisuudet ja työstettävyys hyvä vaimennuskyky EN 1561 SFS 4855 (vanha std) Min. murtolujuus R m (N/mm2) GJL GRS 200 GJL GRS 250 GJL GRS 300 GJL GRS 350 käyttökohteita: koneiden rungot, venttiilit ja putket, kannet ja säiliöt, sylinterit ja johteet, jarrurummut ja -levyt

31 Dieselmoottorin sylinterilohko Valmet / Rautpohja Massa 40 t Materiaali GRS 250

32 Pallografiittirauta lujuusominaisuudet paremmat kuin suomugrafiittiraudalla lämpökäsitellään haluttujen ominaisuuksien saamiseksi EN 1563 SFS 2113 (vanha std) Murtolujuus R m (N/mm2) Myötöraja R p0,2 (N/mm2) GJS GRP 400 GJS GRP 500 GJS GRP 600 GJS GRP 700 GJS GRP 800 käyttökohteita: hammaspyörät, kantopyörät, runkorakenteet, ajoneuvojen voimansiirtorakenteet

33 Pallografiittirautaosia autoteollisuudelle

34 Kymenite-ADI:n, valurautojen, valuterästen ja terästen teknisiä tietoja Laatu Myötölujuus (N/mm2) Murtolujuus (N/mm2) Murtovenymä (%) Kovuus (HB) K K K GRP GRP GS G-25CrMo S355, Fe 52 C < CrNiMo CrMo

35 ADI-valurautoja (Austempered Ductile Iron) Laatu Myötölujuus (N/mm2) Murtolujuus (N/mm2) Murtovenymä (%) Kovuus (HB) Kymenite-ADI K K K EN ASTM 897M

36 Kymenite-ADI -osia Jousenkorvia K-10005

37 Hammaspyöriä K K-9007 K-10005

38 Kantopyörät, jarrulevyt

39 Alumiinit keveitä hyvä korroosionkestävyys hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus erikoisseokset lujia alumiiniprofiilit edullinen valmistusmenetelmä aihio pursotetaan muotoillun profiilityökalun läpi alumiinivalut keveitä sitkeitä hyvä lastuttavuus

40 Alumiiniprofiilien seoksia Kimmomoduuli E N/mm 2 Seos Myötölujuus (N/mm2) SFS 2554 Al 99,5 AlMg2,5 E-AlMgSi AlSi1Mg AlSi1MgPb AlZn5Mg Alumiinivaluseoksia Seos SFS 2550 G-AlCu4Ti G-AlSi12 G-AlSi10Mg G-AlSi8Cu3Fe G-AlSi7Mg G-AlMg3 Myötölujuus (N/mm2) Murtolujuus (N/mm2) Murtolujuus (N/mm2) Murtovenymä A 5 (%) Murtovenymä A 5 (%) ,5 3 4 Kovuus (HB) Kovuus (HB)

41 Kupariseokset liukulaakerit tärkeimpiä sovelluskohteita Yleisimpiä kuparimetalleja Seos SFS 2550 CuZn39Pb3 Lyijymessinki CuZn35Mn2AlFe Erikoismessinki CuSn6 Tinapronssi Tärkeimmät tuotteet Ruuvit, mutterit, taokset, venttiilit, liittimet Akselit, männänvarret, hammaspyörät, ruuvit, mutterit, venttiilit Jouset, kytkimen osat, helat, pumppujen ja venttiilien osat (N/mm2) (N/mm2) Myötölujuus Murtolujuus Murtovenymä A 5 (%) Kovuus (HB)

42 Yleisimpiä kuparimetalleja (jatkoa) Seos SFS 2550 GK-CuZn40Pb Lyijymessinki GS-CuSn12 Tinapronssi GS-CuPb10Sn10 Lyijytinapronssi GS-CuAl10Fe3 Alumiinipronssi Tärkeimmät tuotteet Helat, kojeiden osat, lukot, koriste-- esineet, yleiset rakenneosat Hammas- ja kierukkapyörät, kytkinkappaleet, liukukiskot, liukulaakerit Raskaasti kuormitetut liukulaakerit (reunapaine) Nosturipyörät, holkit, hammaspyörät, liukulaakerit Myötölujuus (N/mm2) Murtolujuus (N/mm2) Murtovenymä A 5 (%) Kovuus (HB)

43 Keraamien ominaisuuksia Materiaali Kovuus Tiheys Murtositkeys Kimmokerroin Lämmönjohtavuus HV MPa m GPa g/mm 3 W/mK Al 2 O 3 (sintr.) ,8 29,3 PSZ MgO (sintr.) ,7 3,2 PSZ Y2 O 3 (sintr.) ,0 1,7 SiC (sintr.) , ,2 110 Si 3 N 4 (sintr.) ,2 15,5 Si 3 N 4 (kuumap.) , , Teräs 100Cr ,8 Al 2 O 3 PSZ SiC Si 3 N 4 Alumiinioksidi Zirkonioksidi (osittain stabiloitu) Piikarbidi Piinitridi

44 Keraamien käyttökohteita työkalujen teräpalat tiivistimet laakerit

45 Muovit Muovilaatu Polyeteeni, PE Polyvinyylikloridi, PVC Polypropeeni, PP Polystyreeni, PS Autonosat, laatikot, sähköeristekomponentit Akryylinitriilibutadieenistyreeni, ABS Polykarbonaatti, PC Polyamidi, PA 66 Polytetrafluorieteeni, PTFE Polyasetaali, POM Käyttökohteita Putket, taloustavarat Pesuainepullot, putket, profiilit Pakkaukset, kertakäyttölasit, solumuovi (Styrox) Autonkorit, veneet, puhelimet, talouskoneet, huonekalut, legot, vaateripustimet Turvalasit, suojakypärät, releet, linssit Hammaspyörät, laakerit, ruuvit, sukkahousut Liukulaakerit, pinnoitteet, putket Liukulaakerit, hammaspyörät, ruuvit

46 Muovien lujuusarvoja Tiheys g/cm 3 N/mm 2 N/mm 2 Kimmokerroin Murtolujuus Murtovenymä % Korkein käyttölämpötila C Pituuden lämpötilakerroin 1/ C PE 0, PVC 1, PP 0, PS 1, ABS 1, PC 1, PA 66 1, PTFE 2, S355 7,

47 Muovien hintoja Muovi Kilohinta (eur/kg) Tiheys (g/cm 3 ) Kappaleen koko cm 3 PVC (GE 7011 harmaa) 10 1,40 71,40 Polyasetaali (POM Delrin) 13 1,42 106,50 Polyamidi (nailon 65A) 13 1,15 87,40 Polyamidi (nailon LFX öljyseosteinen) 22 1,15 154,10 PTFE (teflon) 35 2,18 457,80 PTFE-25 GF (25 % lasia) 50 2,23 669,00 Giba tool mallimuovi 10 0,70 39,90

48 Kertamuovit Muovilaatu Fenolimuovit, PF Epoksimuovit, EP Karbamidimuovit, UF Melamiinimuovit, MF Polyesterit, UP Polyuretaani, PUR Käyttökohteita Jäykkä ja tumma. Kotelot, hammaspyörät, pumpunosat, liukulaakerit, sähkörasiat. Erinomainen tarttuvuus muihin materiaaleihin. Liima, lakka, valumateriaali sähkölaitteiden kotelointiin, muovibetoni, metallipinnoite. Kova, jäykkä, laaja värivalikoima. Virtakytkimet, kotelot, liimat, lakat. Kova, jäykkä, laaja värivalikoima, elintarvikemuovi. Taloustarvikkeet, suppilot, kotelot, tietokoneenosat, liimat, lakat. Valmistetaan lasikuitulujitteisia lujitemuoveja: veneet, säiliöt, pinnoitteet. Kulutuspinnat, ketjupyörät, telapäällysteet.

49 Kertamuovien lujuusarvoja Tiheys g/cm 3 N/mm 2 N/mm 2 Kimmokerroin Murtolujuus Murtovenymä % Korkein käyttölämpötila C Pituuden lämpötilakerroin 1/ C PF 1, EP 1, UF 1, MF 1, ,

50 Lujitteet Kuitu Tiheys Kimmokerroin Vetolujuus Murtovenymä Filamentteja g/cm 3 N/mm 2 N/mm 2 % Kpl SM-hiilikuitu 1, , HM-hiilikuitu 1, , S-lasi 2, kuitu Yhdensuuntaislaminaatti (epoksimatriisi) E-lasi 2, Erillis- Lujitepitoisuus Hiili 1, t-% Aramidi 1, t-% E-lasi 2, t-% S-lasi 1, t-%

51 Vertailuluvut painon ja materiaalikustannusten optimointiin (E kimmokerroin, G liukukerroin, jännitys (max), tiheys) Rakenteen kuormitus Vetosauva (pituus ja muoto määrätty, pinta-ala valinnainen) Jäykkyyden vertailuluku (max) E / Lujuuden vertailuluku (max) / Vääntösauva (pituus ja muoto määrätty, pinta-ala valinnainen) G / 3 / Taivutuspalkki (pituus ja muoto määrätty, pinta-ala valinnainen) E / 3 / Stabiliteetti (lommahdus, kiepahdus) (pituus määrätty, pinta-ala valinnainen) E 1 2 / / Levy (poikittainen kuormitus) (pituus ja leveys määrätty, paksuus valinnainen) E / 2 / Pyörivä levy (vauhtipyörä) (energia määrätty) - / Paineistettu säiliö E / / (paine ja säde määrätty, seinämä valinnainen) Kustannusten minimoinnissa vertailuluku jaetaan kilohinnalla (eur/kg)

52 Material ConneXion

53

54

55

56