LUENTO 4 Muut metalliset materiaalit kuin teräs 2012

Transkriptio

1 BK20A2100 Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012 TkT Harri Eskelinen LUENTO 4 Muut metalliset materiaalit kuin teräs 2012

2 Tämän luentokerran tavoitteet: Oppia perustiedot seuraavista materiaaliryhmistä: Alumiini ja sen seokset (palautekyselyn perusteella lisätty osio) Kupari ja sen seokset Titaani ja sen seokset Magnesium ja sen seokset Nikkeli ja sen seokset Sinkki ja sen seokset (Muita metallisia konstruktiomateriaaleja)

3 Miksi alumiinia käytetään? Huomaa merkintä! /? Keveys! Alumiinin ominaispaino n. kolmasosa teräksen ominaispainosta. Samat lujuusominaisuudet omaava teräspalkki on noin kaksi kertaa alumiinipalkkia painavampi.

4 Korroosionkestävyys! Alumiinin korroosionkestävyys on erinomainen, koska se muodostaa ilman hapen kanssa kovan ja tiiviin oksidikerroksen (5-10nm), joka estää hapettumisen jatkumisen. Korroosionkestävyyttä voidaan vielä parantaa anodisoinnilla, joka lisäksi antaa alumiinille kauniin pinnan. Alumiini (ja sen seokset) kestävät hyvin useita eri kemikaaleja. Puhtaassa vedessä ja luonnon vesissä alumiinissa saattaa esiintyä pistesyöpymistä. Merivesiolosuhteissa parhaiten kestäviä ovat Mgpitoiset alumiiniseokset, esim. EN AW-5754 ja EN AW-5083 Kupariseostus heikentää alumiinin korroosionkestävyyttä.

5 Alumiinin ja sen seosten korroosionkestävyys ilmastollisissa olosuhteissa on hyvä verrattuna hiiliteräkseen. Oksidikerros suojaa alumiinin pintaa olosuhteissa, joissa syövyttävän ympäristön ph on alueella n

6 Alumiinilla ei esiinny korroosiota tai korroosio vähäistä mm. seuraavissa tapauksissa: Boorihappo, arseenihappo, hiilihappo Muurahaishappo, kun T<50 C Fenoli, kun T<120 C Useimmat alkoholit Bentseeni, tolueeni, naftaleeni ja styreeni Happi, vety, typpi, helium ja argon Hiilimonoksidi ja hiilidioksidi

7 Erittäin korrodoivia ovat mm: lipeä, kalilipeä natriumsulfidi suolahappo ja fluorivetyhappo rikkihappo kloori fosforihappo

8 Muotoiltavuus! Nykyaikainen pursotustekniikka ja verrattain halvat työkalukustannukset antavat suunnittelijalle varsin suuren vapauden räätälöidä profiili kuhunkin käyttötarkoitukseen sopivaksi. Profiiliin on helppo sisällyttää monia kokoonpanoa ja toimintaa palvelevia yksityiskohtia. Useiden pintakäsittelyvaihtoehtojen ansiosta profiili saadaan myös pinnaltaan ja väriltään sopimaan eri kohteisiin.

9 Alumiiniprofiilit! Tyypillisiä seosvaihtoehtoja ovat EN-AW-6063 ja EN-AW Profiilit voidaan valita joko standardiprofiileista tai valmistaa räätälöimällä käyttökohteeseen. Profiilin suunnittelu alkaa tarpeiden selvittämisellä. Sen jälkeen valitaan pursotettava alumiiniseos. Alumiiniseos on merkittävä lujuuden, pintakäsittelyn ja kustannusten takia.

10 Lämmönjohtavuus! Alumiinin hyvää lämmönjohtavuutta hyödynnetään etenkin elektroniikkateollisuudessa. Alumiinin lämmönjohtavuus on esimerkiksi rautaan verrattuna noin kolminkertainen. Sähkönjohtokyky! Alumiinin sähkönjohtokyky on erittäin hyvä ja sitä voidaan vielä parantaa käyttämällä tähän tarkoitukseen kehitettyä erikoisseosta. Alumiininen johdin painaa puolet sähköisesti samanarvoisesta kuparijohtimesta.

11 Ympäristöystävällisyys? On totta että alumiinin tuottamiseen bauksiitista tarvitaan paljon sähköenergiaa, noin kwh/tonni. Uusia menetelmiä kuitenkin kehitetään ja koelaitoksissa energiankulutusta on jo voitu vähentää kwh:iin/tonni. Sekundäärialumiinin sulatukseen kuluu vain 5 % energiasta, joka tarvitaan primäärialumiinin sulatukseen. Alumiini on siksi myös arvokas kierrätysmetalli, joka voidaan helposti erotella muusta metallista yhä uudelleen hyötykäyttöön. Kaikesta alumiinijätteestä palautuu uusiokäyttöön kolme neljäsosaa.

12 Alumiiniseosten lujuusominaisuudet? Alumiinin sulamispiste on alhainen (658 C), joten viruminen on otettava huomioon mitoituksessa jo alhaisissakin lämpötiloissa (> 100 C). Matalissa lämpötiloissa alumiinin ja sen seosten lujuus on suurempi kuin huoneenlämpötilassa. Alumiinin ja sen seosten väsymislujuus on yleensä 0,35-0,55 kertaa murtolujuus. Yleisesti alumiinin väsymislujuus ilmoitetaan lujuusarvona, joka vastaa väsymislujuutta noin kuormanvaihtokerran jälkeen. Puristetun profiilin väsymislujuus on suurempi kuin vastaavasta alumiiniseoksesta taotun tai valssatun levyn väsymislujuus. Valetun kappaleen väsymiskestävyys on huonompi kuin samasta seoksesta muokkaamalla valmistetun.

13 Alumiiniseosten lujuusominaisuudet? Syövyttävissä olosuhteissa väsymislujuus alenee huomattavasti. Pinnoittaminen tai anodisointi lisää materiaalin väsymislujuutta tällaisissa olosuhteissa. Lovenvaikutus väsymiskestävyyteen otetaan huomioon loviherkkyysluvun n avulla. Muokatuilla seoksilla loviherkkyys n=0,4-0,5 ja valetuilla 0,7-0,9. Alumiinin ja sen seosten iskusitkeysarvo pysyy käytännössä vakiona lämpötilan muuttuessa. Rakenneteräksistä poiketen alumiiniseoksilla ei ole haurastumislämpötilaa. Tämä tekee alumiinista soveliaan materiaalin kryogeenisiin sovellutuksiin. Sitä käytetäänkin nesteytettyjen kaasujen kuljetussäiliöissä, esim. nesteytetyn metaanin (-161 C) kuljetuslaivoissa.

14 Alumiinien seokset Pääseosaine (muokatut laadut) 1*** puhdas alumiini 2*** kupari 3*** mangaani 4*** pii 5*** magnesium 6*** magnesium ja pii 7*** sinkki 8*** muut seosaineet 9*** käyttämätön esim. EN AW-5052 Valettavissa laaduissa numerotunnuksessa piste

15 Alumiinit voidaan jakaa karkeasti kahteen ryhmään, ei-lämpökäsiteltävät ja lämpökäsiteltävät alumiinit. Ei-lämpökäsiteltävät alumiinit saavat ominaisuutensa seosaineiden ja valssauksen kautta Tyypillisiä seosaineita ovat mangaani, magnesium. Ei-lämpökäsiteltäviä laatuja ovat 1000, 3000 ja 5000-sarjan alumiinit. Nämä alumiinit ovat hitsattavia ja niillä on hyvä korroosionkesto. Niiden ominaisuuksia ei voi muuttaa valmistuksen jälkeen.

16 Lämpökäsiteltävät alumiinit saavat ominaisuutensa seosaineiden ja erilaisten lämpökäsittelyjen kautta. Tyypillisiä seosaineita ovat kupari, magnesium, pii ja sinkki. Lämpökäsiteltyjä alumiineja ovat 2000, 6000 ja 7000-sarjan alumiinit sarjan alumiinit ovat hitsattavia ja anodisoitavissa ja 7000-sarjan alumiineilla on heikko hitsattavuus, huonompi korroosionkesto ja anodisoitavuus. Erilaisilla lämpökäsittelyillä näihin alumiineihin saadaan erilaisia ominaisuuksia ja voidaan näin hakea parasta seosta ja tilaa haluttuun käyttökohteeseen.

17 Alumiinilevyt ja -kelat EN AW-1050A (Al 99,5)

18 Alumiiniputket Pyöreä EN AW-6063, EN AW-6082

19 Alumiinin anodisointi! Alumiinin anodisointi perustuu siihen, että alumiinin pintaan ilman hapen vaikutuksesta tavallisesti syntyvä ohut oksidikerros kasvatetaan elektrolyyttisesti huomattavasti paksummaksi. Koska alumiinioksidi on erittäin kovaa, lisää anodisointi alumiiniosien kulutuskestävyyttä. Lisäksi anodisoinnin aikana muodostetun oksidikerroksen huokoisuus parantaa liimattavuutta ja mahdollistaa alumiiniosien kestävän värjäyksen. Anodisoitavat alumiiniseokset: Alumiiniseoksen oikea valinta on tärkeää, koska se vaikutta ratkaisevasti kerroksen kestävyyteen ja ulkonäköön. Yleisimmässä seoksessa on hieman magnesiumia ja piitä, 0,5% kumpaakin.

20 Standardit

21 SFS-EN 515 Alumiini ja alumiiniseokset. Muokatut tuotteet. Tilojen tunnukset painos SFS-EN Alumiini ja alumiiniseokset. Muokattujen tuotteiden kemiallinen koostumus ja tuotemuodot. Osa 1: Numeerinen nimikejärjestelmä painos SFS-EN Alumiini ja alumiiniseokset. Muokattujen tuotteiden kemiallinen koostumus ja tuotemuodot. Osa 2: Kemialliseen koostumukseen perustuva nimikejärjestelmä painos SFS-EN Alumiini ja alumiiniseokset. Muokattujen tuotteiden kemiallinen koostumus ja tuotemuodot. Osa 3: Kemiallinen koostumus ja tuotemuodot painos SFS-EN Aluminium and aluminium alloys. Chemical composition and form of wrought products. Part 5: Codification of standardized wrought products SFS-EN 602 Aluminium and aluminium alloys. Wrought products. Chemical composition of semi-finished products used for the fabrication of articles for use in contact with foodstuff. 2004

22

23 Kupari ja sen seokset Kuparimetallit ryhmitellään seuraavasti: Puhdistetut kuparit Kuparipitoisuus on vähintään 99,85 %. Seostetut kuparit Kuparipitoisuus on vähintään 97,5 %. Seostettujen kupareiden seosaineet on lisätty antamaan kuparille perusaineesta poikkeavia ominaisuuksia.

24 Kupariseokset sisältävät haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi yhtä tai useampaa seosainetta, esimerkiksi: sinkkiä tinaa lyijyä alumiinia arseenia nikkeliä ja rautaa

25 Kupariseosten merkintä SFS-ISO Kupari ja kupariseokset. Nimikejärjestelmät. Osa 1: Nimikkeet SFS-ISO mukaan kupariseosten nimikkeet sisältävät perusaineen kemiallisen merkin (Cu) seosaineiden kemialliset merkit ja vastaavat nimellispitoisuudet (seosaineet, joiden nimellispitoisuus on vähintään 1 %). Esim: CuZn36Pb2As SFS-EN 1173 Kupari ja kupariseokset. Tilojen tunnukset. SFS-EN 1412 Kupari ja kupariseokset. Eurooppalainen numeerinen nimikejärjestelmä.

26 Kuparimetallien tunnukset perustuvat kemialliseen koostumukseen. Seosaineita ilmoittavien alkuainemerkintöjen jäljessä on kirjaimia erottamassa eli kuparilajeja (seostamattomat kuparit) tai numeroita ilmaisemassa seosaineen nimellistä pitoisuutta. OF, OFE = hapeton kupari DHP, DLP =deoksidoitu kupari Muokatuilla valmisteilla perään liitetään tilamerkintä väliviivalla erotettuna. Valuseoksilla merkinnän edessä on valutapaa osoittava erikoistunnus Esim. Cu-OF-04, hapeton kupari, muokkauslujitettu, keskimääräinen muokkausaste noin 10 % CuZn39Pb2, lyijymessinki 39 % Zn, 2 % Pb GZ-CuPb10Sn, keskipakovalettu lyijytinapronssi

27 Seostamattomat kuparit Hapeton kupari Cu-OF (oxygen-free copper) valetaan hapen liukenemisen estämiseksi suojakaasussa, jotta sulaan kupariin ei pääse happea. Hapen pääsy metallisulaan estetään peitostamalla sula esimerkiksi hiilellä tai käyttämällä sulatuksessa vakuumiuunia. Hapeton kupari on sähkönjohtavuudeltaan paras kaikista kuparilaaduista. Hapettoman kuparin puhtauden on oltava vähintään 99,95 %, sillä sen sähkön- ja lämmönjohtokyky on erittäin herkkä epäpuhtauksille. Elektroniikkateollisuutta varten on kehitetty vielä puhtaampi, ns. sertifikaattilaatu Cu-OFE (oxygen-free copper, electronic grade), jonka kuparipitoisuus on vähintään 99,99 %.

28 Yleisin kuparilaatu on happipitoinen kupari Cu-ETP (tough pitch copper). Sulaan liuennut happi muodostaa kiinteässä olomuodossa linssimäisiä rakenteita. Happikupari ei ole yhtä herkkä epäpuhtauksille kuin hapeton kupari, koska happilinssit sitovat tehokkaasti epäpuhtauksia. Toisaalta happikuparin johtokyky on alhaisempi kuin hapettoman kuparin eikä sitä voi käyttää pelkistävissä olosuhteissa. Deoksidoidut kuparit ovat yleiskupareita, eikä niitä yleensä käytetä sähköjohtotarkoituksiin. Deoksidoiduissa kupareissa metallisulaan lisätään pienehköjä määriä deoksidointiaineita, tyypillisimmin fosforia, poistamaan sulasta happi. Fosforin määrä vaihtelee 0,002 0,050 %. Tärkeimpiä ovat runsasfosforinen Cu-DHP (phosphorus-deoxidized copper high residual phosphorus), jonka fosforipitoisuus on 0,015 0,040 % sekä matalafosforinen Cu-DLP (phosphorusdeoxidized copper low residual phosphorus), jonka fosforipitoisuus on 0, 005 0,013 %.

29 Kupariseosten ryhmittely Kupariseokset sisältävät vähintään 2,5 % yhtä tai useampaa seosainetta Kupari-sinkkiseosten eli messinkien pääseosaine on sinkki. Ne saattavat sisältä myös muitakin seosaineita, kuten, lyijyä, tinaa, nikkeliä, arseenia, rautaa ja mangaania Kupari-tinaseokset eli tinapronssit ja punametallit sisältävät kuparin lisäksi tinaa ja muita seosaineita, esim. lyijyä, nikkeliä ja sinkkiä. Kupari-nikkeli-sinkkiseokset eli uushopeat sisältävät kuparin lisäksi seosaineina nikkeliä ja sinkkiä. Kupari-nikkeliseokset eli nikkelikuparit sisältävät kuparin lisäksi seosaineena nikkeliä sekä muita seosaineita, esim. mangaania. Kupari-alumiiniseokset alumiinipronssit sisältävät kuparin lisäksi seosaineena alumiinia sekä muita seosaineita esim. rautaa ja nikkeliä. Kuparin erikoisseokset ryhmään kuuluvat muut kupariseokset, kuten berylliumpronssit ja piipronssit.

30 Kupariseosten käytön yleiset edut ja rajoitukset Edut 1. Hyvä korroosionkestävyys esim. ilmastollisessa korroosiossa, maaperässä ja luonnon vesissä, merivedessä ja eräissä kemikaaliliuoksissa 2. Hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus 3. Helppo valaa, työstää ja muokata 4. Ei magneettinen 5. Esteettinen väri 6. Ei mikrobikasvustoa merivedessä Rajoitukset 1. Korkeahko hinta 2. Vaikea hitsata 3. Huono eroosiokorroosion kestävyys 4. Messingeillä (eli Cu+Zn seoksilla) on taipumus sinkin katoon

31 Kuparimetallien lujuusominaisuudet Kuparimetallien lujuuden määrää koostumuksen lisäksi valmistustila. Myös samassa tilassa olevien saman kuparimetallin lujuusarvot saattavat poiketa toisistaan riippuen valmisteen muodosta ja mitasta. Kaikkien kuparimetallien kimmomoduli, 0,2-raja, murtolujuus ja murtovenymä suurenevat lämpötilan laskiessa. Kuparimetalleilla ei ole haurausalueita matalissa lämpötiloissa, vaan iskusitkeys paranee lämpötilan laskiessa.

32 Lämpötilan noustessa pienevät 0,2-raja ja murtolujuus. Viruminen on otettava mitoituksessa huomioon korkeammissa lämpötiloissa ( C, riippuen seoksesta). Kuparimetallien virumislujuuteen vaikuttavat seostus, raekoko sekä käsittelytila. Parhaimmat virumislujuudet saavutetaan alumiinipronsseilla ja nikkelikuparilla. Kuparimetalleilla ei ole selvästi määriteltävää väsymisrajaa. Niille määritetään kestoraja, joka on määritetty murtumaan johtavana jännityksenä tietyllä kuormanvaihtomäärällä (yleensä ). Yleensä kestoraja on noin 1/3 murtolujuudesta.

33 Kuparin liuoslujittaminen Kuparin seokset saavat lujuutensa yleensä liuoslujittamisen kautta (sopivalla seostuksella). Yleisesti voidaan todeta liuoslujituksella olevan seuraavat vaikutukset materiaaliominaisuuksiin: Myötölujuus, murtolujuus ja kovuus kasvavat. Cu Zn sitkeys ei putoa puhtaaseen metalliin verrattuna (toisin kuin yleensä metallisilla aineilla) Seoksen sähkönjohtavuus on paljon huonompi kuin puhtaan metallin. Tästä syystä johtimina käytettäviä kuparilankoja ei suositella liuoslujitettaviksi. Virumiskestävyys paranee ja ominaisuudet eivät katoa katastrofaalisesti korkeissa lämpötiloissa.

34 Kuparimetallien korroosionkestävyys Kuparin korroosionkestävyys on hyvä. Sen korroosionopeus on alhainen ilmastoolosuhteissa (0-2,2 µm/vuodessa), luonnonvesissä (riippuu virtausnopeudesta) vesihöyryssä sekä monissa suola- ja emäsliuoksissa. Olennaista korroosiota tapahtuu vasta, kun liuokseen on liuennut runsaasti happea tai hapettavaa happoa. Rikkipitoisissa olosuhteissa kuparimetallien korroosionkestävyys on kuitenkin huono. Kuparimetallien tyypillisimpiä korroosiomuotoja ovat: eroosiokorroosio, valikoiva korroosio (sinkinkato) ja jännityskorroosio.

35 Kuparimetallit syöpyvät herkästi eroosiokorroosion vaikutuksesta. Tästä syystä esim. putkistoissa virtausnopeudet eivät saa olla suuria. Ohjearvoja virtausnopeuksille on taulukoitu lähdekirjallisuudessa. Kupariseokset kestävät paremmin eroosiokorroosiota kuin puhdas kupari. Valikoivaa liukenemista ilmenee lähinnä messingeissä, joista liukenee sinkkiä. Alttius sinkinkadolle lisääntyy sinkkipitoisuuden lisääntyessä. Kun sinkkipitoisuus on alle 15 %, ei sinkinkatoa yleensä esiinny. Sinkinkatokestävyyttä voidaan parantaa myös pienellä arseeni-, antimonitai fosforiseostuksella.

36 Kuparimetalleilla yleisin jännityskorroosiomuoto on messinkien ns. varastorepeäminen. Jännityskorroosion syynä ovat tällöin usein muokkauksen aikana syntyneet sisäiset jännitykset. Varastorepeämistä tapahtuu jos ympäristössä on pieniäkin määriä esim. ammoniakkia tai nitriittejä. Kuparimetallit ovat suhteellisen jaloja, joten galvaanisessa korroosiossa syöpyminen harvoin kohdistuu siihen. Ne sen sijaan voivat aiheuttaa syöpymistä niihin yhteydessä oleviin epäjalompiin metalleihin.

37 Kuparia ja kupariseoksia käytetään hyvän korroosionkestävyytensä vuoksi esim. seuraavissa käyttökohteissa: Rakenteissa, joilta edellytetään hyvää kestävyyttä erilaisia ilmastorasituksia vastaan. Vesijohtoputkissa, erityisesti lämminvesiputkissa ja erilaisissa putkitarvikkeissa. Merivesiolosuhteissa, erityisesti makeavesi- ja merivesilämmönvaihtimissa, lauhduttimissa ja erilaisissa tarvikkeissa. Kuparin pinnalla ei yleensä esiinny mikrobikasvustoa. Höyryvoimaloissa ja kemiallisissa prosesseissa sekä myös neste-kaasu- ja kaasukaasulämmönvaihtimissa.

38 Kuparimetallien hitsaus Kuparimetallien tärkeimmät ominaisuudet hitsauksen kannalta ovat: Erittäin suuri lämmönjohtavuus, joka 1000 C:ssa on noin kymmenkertainen teräkseen verrattuna. Lämpö siirtyy hitsauskohdasta pois nopeasti. Kupariseoksilla on yleensä paljon pienempi lämmönjohtavuus kuin puhtaalla kuparilla, josta syystä esilämmityksen tarve on vähäisempi. Suuri pituuden lämpötilakerroin, joka on noin 50 % suurempi kuin teräksellä. Hitsattaessa rakenteet vetelevät voimakkaasti. Sula kupari liuottaa itseensä kaasuja, jotka hitsisulan jähmettyessä erkautuvat hitsin raerajoille aiheuttaen huokosia ja hauraan hitsin. Kylmämuokkauksella saavutetut lujuusominaisuudet alenevat hitsauksessa kuumentuneelta alueelta. Pehmenneen alueen lujuus vastaa hehkutetun materiaalin ominaisuuksia. Kuparimetallien hitsauksessa käytettävät menetelmät ovat kaasu-, puikko-, MIG- ja TIG-hitsaus. Myös erityishitsausmenetelmiä, kuten plasma ja EB-hitsausta voidaan käyttää.

39 Kuparimetallien hitsauksessa on lisäksi huomioitava: Railopintojen tulee olla ehdottomasti puhtaita, rasvattomia ja hapettumattomia. Railot tulee valmistaa ja mekaanisesti tai/kemiallisesti puhdistaa ennen hitsausta. Hitsauslankojen on oltava ehdottomasti puhtaita ja kuivia. Lisäaineet ovat koostumukseltaan erilaisia eri perusaineille. Seostamattomia messinkejä hitsataan melko vähän. Sinkin höyrystyminen aiheuttaa huokosia hitsiin ja on vaarallista terveydelle. Lyijyseosteisillä kupariseoksilla on taipumusta huokoisuuteen ja halkeiluvaara. Hitsauksen sijasta suositellaan käytettäväksi juottamista. Kuparin ja sen seosten juotettavuus on yleensä hyvä

40 Muut valmistusmenetelmät Kupariseokset ovat erinomaisia muokattaviksi. Plastinen muokattavuus on hyvä sekä kylmä- että kuumamuokkauksessa. Lastuamisessa kuparin seokset ovat osoittautuneet parhaimmiksi metalleiksi (vaikka puhdas kupari voikin olla ongelmallinen).

41 Kupariseosten kulumiskestävyys Kupariseoksista kovimmat ja lujimmat seokset ovat Cu-Be-seokset (esim. n. 1,9% Be, 0.2% Co, loput kuparia), eräillä on suurempi kulumiskestävyys kuin teräksillä Cu-Be -seoksilla on myös hyvä korroosion kesto Cu-Be -seokset ovat monesti hankalia liittää ja lastuta

42 Kupariseosten ja terästen vertailunäkökohtia Ominaisuus Myötölujuus Väsymislujuus Kovuus Murtovenymä Kimmomoduuli Vertailutulos Teräksillä kertainen myötölujuus Teräksillä 2 6 -kertainen väsymislujuus Teräksillä saavutettavat maksimikovuudet n. 2-kertaisia Seostuksesta riippuen kuparilla suurempi murtovenymä, n kertainen teräksiin nähden (osalla seoksista teräksen murtovenymä on kuitenkin suurempi) Teräksillä kertainen kimmomoduuli

43 Kupariseoksen valintaproblematiikkaa Ajatellaan esimerkkinä erään älyantennin syöttöliuskaa, jolta vaaditaan: Ensisijaisesti: Hyvää sähköistä suorituskykyä = sähkönjohtavuutta (häviöiden minimointi) Hyvää korroosionkestoa (ilmasto-olot) Toissijaisesti: Hyvää hitsattavuutta (liitos säteilijöihin/ syöttötappeihin) Jousiominaisuutta (sähköisten liitosten kiinnipysymisen varmistaminen jousikuormalla)

44 Radomi Säteilijät Etulevy Neliöputkirunko Takalevy Elektroniikkakotelo Syöttötapit Syöttöliuskat N-liittimet Kiinnityssangat ja tapit kiinnitysosineen

45

46

47 Sähköäjohtava Cu-OF Maksimi suorituskyky Sähköäjohtava & Korroosiota kestävä & Hitsattava Cu-DHP Suorituskyky putoaa n. 70%:iin maksimista Sähköäjohtava & Korroosiota kestävä & Hitsattava & Jousiominaisuus CuSn6 Suorituskyky putoaa n.10%:iin maksimista

48 Titaani ja sen seokset Titaania käytetään kohteissa, joissa vaaditaan erityisen hyvää korroosionkestävyyttä ja hyvää lujuus/painosuhdetta. Pääosa titaanista käytetään seostettuna ilmailu-, avaruus- ja sotatarviketeollisuudessa. Seostamattomien titaanien käyttö on lisääntynyt puunjalostusteollisuuden, kemian prosessiteollisuuden ja voimalaitosten rakennemateriaaleina kohteissa, joissa ruostumattomien terästen korroosionkestävyys on riittämätön.

49 Titaania käytetään yleensä vain muokattuina muotovalmisteina; levyinä, nauhoina, tankoina jne. Seostamattomissa titaaneissa (yli 99% Ti) epäpuhtauksina olevien aineiden, kuten happi-, rauta-, typpi-, hiili- ja vetypitoisuuksilla voidaan säätää halutut lujuusominaisuudet. Myös palladiumilla seostetut, paremmin pelkistävissä olosuhteissa korroosiota kestävät titaanit, lasketaan seostamattomiin titaanilajeihin

50 Titaaniseoksissa käytetään seosaineita parempien lujuus- ja virumisominaisuuksien saavuttamiseksi. Erilaisia titaaniseoksia on lähinnä ilmailuteollisuuden käytössä lukuisa joukko, mutta erityisesti seosta Ti- 6% Al- 4% V käytetään yleisesti muissakin sovellutuksissa.

51 Tiheys on 4540 kg/m 3 Kimmokerroin N/mm 2 Sulamislämpötila 1668 o C Lujuutta voidaan nostaa huomattavasti seostuksella ja lämpökäsittelyillä Seosaineina Al, V, Pd, Mo, Ni Suurimmillaan seostettujen titaanien myötölujuus on n MPa ja murtolujuus n MPa.

52 Sulamispiste 1812 C Titaani on lähes yhtä lujaa kuin teräs, mutta 45 % kevyempää. Se on 60 % painavampaa kuin alumiini, mutta kaksi kertaa lujempaa. Titaanin lujuus on verrattavissa korkealuokkaisiin, ruostumattomiin teräksiin. Titaniin korroosionkestävyys on suuri happoja vastaan olosuhteissa, joissa molybdeenillä raskaasti seostettu haponkestävä teräs ei enää kestä.

53 Tärkeimmät seokset

54 Käyttökohteet Gr 1: Pehmeä ja venyvä laatu syvävetoon. Gr 2 ja 3: Laatuja, jotka soveltuvat useimpiin kemian ja konepajateollisuuden sovellutuksiin. Gr 4: Kova laatu, jousien, katkaisimien ja kontaktiosien valmistukseen. Gr 7ja 8: Parannettu korroosionkestävyys, erityisesti pelkistetyissä happo-olosuhteissa. Gr 5: Seos, jolla on suuri lujuus ja väsymiskestävyys.

55 Titaanien lujuusominaisuudet Seostamattomien titaanien lujuus kasvaa epäpuhtauspitoisuuksien (O-, N- ja C-pitoisuudet) lisääntyessä. Puhtaalla seostamattomalla titaanilla Ti1 on alhaisin lujuus, mutta parhaat sitkeysominaisuudet. Seostamattoman titaanin lujuusarvot laskevat lämpötilan noustessa, myötöraja ja vetomurtolujuus laskevat 50 % lämpötilan noustessa 20 C:sta 300 C:een. Lujuuden kannalta seostamattomien titaanien korkein mahdollinen käyttölämpötila on noin C. Yleisimmän titaaniseoksen, Ti5, lujuusarvot ovat nuorrutusterästen lujuusarvojen luokkaa (Rp0,2=800 N/mm²). Kuormittamattomissa rakenteissa hapettuminen rajoittaa ylimmäksi käyttölämpötilaksi noin 500 C. Titaaniseoksen Ti5 lujuus säilyy hyvänä lämpötilaan 550 C asti. Lujuuslaskelmissa on jo 20 C lämpötilassa lähtökohdaksi otettava titaanien virumisominaisuudet.

56

57 Seostuksella lujuusarvot saadaan moninkertaisiksi, mutta samalla kimmokerroin laskee!

58 Titaanien myötöraja- ja myötölujuus kasvavat lämpötilan laskiessa, murtovenymän pysyessä muuttumattomana. Puhtaimpien titaanien iskusitkeyden arvot kasvavat lämpötilan laskiessa, lujilla titaaneilla iskusitkeydet hieman heikkenevät. Titaani ja titaaniseokset eivät ole taipuvaisia haurasmurtumaan, mikä tekee niistä soveliaita kryogeenisiin sovelluksiin (= kylmätekniikan sovellukset, alle -80 C).

59 Väsymislujuuden suhde murtolujuuteen titaaneilla vaihtelee yleensä välillä 0,5-0,6. S-N-käyrässä ei esiinny yhtä terävää polvimuotoa kuin esimerkiksi teräksillä, mutta käyrät oikenevat kuitenkin tyypillisesti n kuormanvaihdon kohdalla Lisäksi, toisin kuin muilla metalleilla, kuten esim. austeniittisella ruostumattomalla teräksellä, korroosioympäristö ei vaikuta titaanin väsymiskäyttäytymiseen. Sen sijaan titaanin pinnanlaadulla (karkea koneistusjälki, lovi, hauras hapettumakerros) on huomattava vaikutus väsymismurtuman ydintymiseen.

60 Titaanin korroosionkestävyys Korroosionkestävyys on monissa olosuhteissa parempi kuin ruostumattomien terästen (passiivikalvo lujempi) Korroosionkestävyys on seurausta titaanin pintaan jo lievästikin hapettavissa olosuhteissa muodostuvasta oksidikerroksesta. Mikäli titaani syöpyy, on syöpyminen yleensä tasaista. Titaanin ja sen seosten korroosionkestävyys on erinomainen alhaisissa lämpötiloissa Titaaniseosten korroosionkestävyys on tarkistettava ainekohtaisesti ottaen huomioon lämpötila, kosteus, väkevyys ja ph-arvo (Titaani kestää esimerkiksi laimeaa suola- ja rikkihappoa HCl, H 2 SO 4.).

61 Oikein valittu titaaniseos kestää: Merivettä, yleinen korroosionopeus ~ 8 μm/v Kosteaa klooria (>0,005% H 2 O) Typpihappoa kaikilla väkevyyksillä kiehumispisteeseen saakka (savuava tekee poikkeuksen) Hapettavia suoloja kylminä tai kuumina, CuCl 2 (ei kiehuvaa), FeCl 3, CuSO 4, K 2 Cr 2 O Hypokloriitteja

62 Titaaniseokset eivät kestä: Konsentroituja kuumia alkaleja Kuivassa Cl:ssa titaani voi syttyä Savuavaa typpihappoa Sulia suoloja, esim. NaCl, LiCl, fluorideja, eikä myöskään kiehuvaa CaCl 2 pitoisuuksilla >55% HF-vesiliuoksia Fluoria Oksaali- tai muurahaishappoa Ilma-atmosfääriä korkeissa lämpötiloissa

63 Titaani vai jokin muu materiaali (korroosionkesto)? Materiaali Titaani tai titaaniseos Ruostumattomat teräkset Lujitemuovit Fluorimuovit Kupariseokset Nikkeliseokset Zirkoni Tantaali Keskeiset valintaa ohjaavat tekijät Hyvät lujuusominaisuudet ja keveys yhdistettynä riittävään korroosionkestoon varsin vaativissakin olosuhteissa. Kallis. Taipumus piste-, rako- ja jännityskorroosioon sekä korroosioväsymiseen. Yleensä huonompi korroosionkesto kuin titaanilla. Alhainen käyttölämpötila, hankala liittämistekniikka. Rajallinen korroosionkesto. Huono lujuus ja vaikea liittää. Kestävät paremmin kuin titaani hapettavissa ja pelkistävissä olosuhteissa. Edullisia. Vaatimaton korroosionkesto (titaanin verrattuna). Korkeampi käyttölämpötila kuin titaanilla. Alhainen lujuus/painosuhde. Huonompi korroosionkesto (titaaniin verrattuna) Zirkoni kestää titaania paremmin pelkistävissä olosuhteissa. Kallis. Tantaali kestää väkevissä pelkistävissä ja hapettavissa olosuhteissa, joissa titaani ei kestä. Kallis.

64 Titaanin käyttöalueita Kemianteollisuus Lentokoneteollisuus Lääketeollisuus Sellu- ja paperiteollisuus Suolanpoistolaitokset Voimalaitokset

65 Titaanin käyttökohteita Tislaus- ja väkevöittämislaitteet Valkaisulaitteet Suurpainesäiliöt ja venttiilit Turbiinien siivet Lämmönvaihtimet Moottoreiden ja ajoneuvojen pyörivät osat Jouset Mutterit ja ruuvit

66 Puolivalmisteet ym. levyinä putkina tankoina lankoina nauhoina harkkoina takeina ruuveina muttereina

67 Titaanin hitsattavuus Puhtaiden titaanien, ja eniten käytetyn titaaniseoksen Ti-6Al-4V, jotka hitsatuissa rakenteissa ovat yleisimmät, hitsattavuus on hyvä. Titaanin lämpöpiteneminen ja lämmönjohtokyky ovat alhaiset, jolloin hitsattaessa lämmöntuontitarve on alhainen ja myös hitsauslämmön aiheuttamat muodonmuutokset jäävät vähäisiksi. Titaanin korkea sulamispiste ei vaikeuta titaanin hitsausta nykyisin käytössä olevilla menetelmillä. Kaasu- ja puikkohitsausta ei voida käyttää reaktiivisten kaasujen ja puikonpäällysteiden vuoksi. Käytännössä TIG- ja plasmahitsaus ovat yleisimmät titaanin hitsausmenetelmät. Titaania ei voida sulahitsata muiden metallien kanssa muodostuvien hauraiden metallienvälisten yhdisteiden takia.

68 Titaanin hitsauksen ensisijaisin ongelma on sen taipumus reagoida ilman kaasujen kanssa. Esimerkiksi happi ja typpi liukenevat helposti titaaniin, ja lujittavat sitä. Kuten yleensäkin metalleilla lujittuminen johtaa sitkeyden heikkenemiseen - haurastumiseen. Titaanin tapauksessa haurastuminen on voimakasta jo pienilläkin "epäpuhtauspitoisuuksilla" ja kaasusaastuneen liitoksen sitkeys jää helposti dramaattisesti perusaineen sitkeyttä heikommaksi.

69 Toinen titaanin hitsauksen ongelma on huokoisuus. Huokoisuus on pääsääntöisesti jähmettymisen yhteydessä muodostuvien kaasukuplien aiheuttamaa. Mitään tiettyä yksittäistä syytä huokoisuuteen ei kuitenkaan ole osoitettu. Eräs tekijä on ilmeisesti vety, jota kulkeutuu hitsiin mm. Iisäaineen epäpuhtauksissa tai absorboituneena perus- tai lisäaineeseen. Kaiken kaikkiaan puhtaudella ja kuivauksella on selkeä positiivinen vaikutus huokoisuuden välttämisessä.

70 Titaanin työstö eri menetelmillä Titaania ja titaaniseoksia voidaan leikata sekä poltto-, plasma-, että laserleikkausmenetelmin. Titaanin käyttäytyminen lastuavassa työstössä on samantapaista kuin austeniittisten ruostumattomien teräksien. Taulukossa alla on käsitelty titaanin työstöä vaikeuttavia tekijöitä sekä keinoja niiden välttämiseksi.

71 Titaania ja titaaniseoksia voidaan muokata joko kylmänä tai kuumana tavanomaisella teräksille tarkoitetulla tekniikalla. Seostamattomista titaaneista puhtain laji on erinomaisesti kylmämuokattavissa. Muokattavuus heikkenee kuitenkin epäpuhtausasteen kasvaessa, joten lujat titaanit ja titaaniseos Ti-6Al-4V ovat vain rajoitetusti kylmämuokattavia. Titaani lujittuu voimakkaasti kylmämuokkauksessa.

72 Titaanin muita sovelluskohteita Nikkelin ja titaanin seos on muistimetalli (adaptiivinen materiaali). Titaaninitridiä ja titaanikarbidia käytetään pinnoitteena kovuutensa ja kulutuksenkestonsa vuoksi esim. työstökoneiden terissä.

73 Magnesium ja sen seokset Magnesiumseokset ovat tiheydeltään alhaisimpia konstruktiometalleista. Tyypillisiä käyttökohteita ovat ilmailuteollisuus, liikennevälineet sekä ennen kaikkea kannettavat laitteet ja työkalut, kuten moottorisahat ja porat ym., samoin kuin osat joiden inertian tulee olla pieni. Magnesiumseoksia käytetään sekä valettuina että muokattuina muotovalmisteina.

74 Magnesium on kevein konstruktiometalli, tiheys 1740 kg/m 3. Kimmomoduuli N/mm 2 pääseosaineena on yleensä Al (7-10 %), ja sen lisäksi Zn ( %) sekä Mn ( 0.1 %) Suurimmillaan magnesiumseosten myötölujuudet ovat n. 300 MPa ja murtolujuudet n. 400 MPa

75 Materiaalimerkintä Magnesiumseokset merkitään ASTM:n mukaista järjestelmää käyttäen, joka muodostuu kirjain- ja numerosarjasta, esimerkiksi AZ81A. Merkinnän kaksi ensimmäistä kirjainta tarkoittavat kahta pääseosainetta: A=alumiini ja Z=sinkki. Numerosarja kertoo pääseosaineiden pitoisuudet kokonaisluvuiksi pyöristettyinä. Viimeinen kirjain erottaa toisistaan muiden kuin tunnuksessa ilmoitettujen seosaineiden osalta poikkeavat lähes samankaltaiset seokset. Toimitustila ilmoitetaan samankaltaisesti kuin alumiinilla

76 Toimitustilan merkintä Esimerkki: AZ81A-T4 on koostumukseltaan 7.6% Al, 0.7% Zn (ja lisäksi 0.13% Mn). Toimitustilana on liuoshehkutus

77 Korroosionkesto Hyvä korroosionkesto teollisuus- ja ilmailusovelluksissa Yleensä korroosionkestävyys kasvaa alumiiniseostuksen kasvaessa, kun Al%>1.5 jännityskorroosiota ei juuri esiinny Raerajakorroosiota ei esiinny MUTTA Epäpuhtauksista Fe, Ni, Co ja Cu alentavat voimakkaasti korroosionkestävyyttä erityisesti korkeissa lämpötiloissa galvaaninen korroosio voimakasta Fe, Ni, Cu ja Ti kanssa Vesiliuoksissa pienetkin kloridipitoisuudet nopeuttavat syöpymistä Kuten alumiiniseokset, on magnesiumseokset valittava ottaen huomioon lämpötila, ph, väkevyys, kosteus jne.

78 Magnesiumin hitsaus Magnesiumseoksia voidaan hitsata TIG- ja MIGhitsauksella argon- tai heliumsuojakaasussa sekä vastushitsauksella. Esimerkiksi muokatun seoksen AZ31B hitsattavuus on erinomainen, valettujen seosten AZ81A ja AZ91C hyvä. Hitsattavat pinnat on huolellisesti puhdistettava öljystä, liasta ja hapettuneesta pintakerroksesta välittömästi ennen hitsausta. Pinta puhdistetaan mekaanisesti tai kemiallisesti happopeittauksella.

79 Magnesiumin lastuaminen Magnesiumia voidaan lastuta terästen työstöön pikateräs- ja kovametallityökaluilla, käyttäen suurta nopeutta ja suurta lastuamisnopeutta ja syöttöä. Saatava pinnanlaatu on hyvä eikä myöhempää hiontaa yleensä tarvita. HUOM! Magnesiumin lämpökäsittelyissä, hitsauksessa ja lastuavassa työstössä on muistettava tulipalovaara. Mikäli magnesium syttyy palamaan, paloa ei saa sammuttaa vedellä. Käyttökelpoisia sammutusaineita ovat magnesiumpalojen sammutukseen tarkoitetut jauheet ja kaasut.

80 Nikkeli ja sen seokset Kaupallisesti puhdas nikkeli sisältää epäpuhtautena hiiltä. Korkeammissa käyttölämpötiloissa (> 300 C) suositellaan käytettäväksi niukkahiilisempää laatua, sillä runsashiilisempi laatu haurastuu grafitoitumisen vuoksi. Puhdas nikkeli kestää hyvin sekä kuumia, että kylmiä alkaleja. Se ei ole herkkä kloridien aiheuttamalle jännityskorroosiolle.

81 Nikkeliä voidaan seostaa runsaasti ilman, että sen kiderakenne muuttuu. Näin ollen sen lujuusominaisuuksia ja korroosionkestävyyttä voidaan muutella haluttuun suuntaan seostuksella, ilman, että perusmateriaalissa tapahtuu haitallisia rakennemuutoksia.

82 Nikkelivaltaiset (super)seokset Nikkeli-kupariseokset, joissa on n. 1/3 kuparia ja 2/3 nikkeliä tunnetaan laajasti Monel-metalliseosten nimellä. Yleisin näistä on Monel 400, joka kestää hyvin merivedessä. Sitä käytetään potkureissa, potkuriakseleissa, pumppujen akseleissa ja siipipyörissä, sekä lämmönvaihtimien putkissa. Alumiinia ja titaania sisältävää Monel 500-K seosta voidaan lujittaa lämpökäsittelyn avulla, joten sitä käytetään suurempaa lujuutta vaativissa olosuhteissa.

83 MONEL Ni 60-70%, loput Cu => erittäin korroosionkestävä (merivesi) HASTELLOY erittäin korroosionkestäviä (HCl, H 2 SO 4 ) ja/ tai tulenkestäviä - Hastelloy B (65 % Ni, 30 % Mo, 5 % Fe) - Hastelloy C (64 % Ni, 16 % Cr, 16 % Mo) INCONEL, INCOLOY ja NIMONIC tulenkestäviä, korroosionkestäviä ja virumisenkestäviä (815 C) - Inconel X (75 % Ni, 14 % Cr, 6 % Fe, 0.7 % Al, 2.5 % Ti, 1 % Nb, 0.05 % C) - Nimonic 80A (73 % Ni, 20 % Cr, 2,3 % Ti, 1,2 % Al

84 Muita nikkeliseoksia Rauta-nikkeliseosten (36% Ni), INVAR lämpölaajeneminen on nolla Rauta-nikkeli-kromiseosten (34-37% Ni ja 15% Cr) ELINVAR kimmomoduuli on lämpötilasta riippumaton

85 Nikkeliseosten hitsaus Kaikkia nikkelivaltaisia seoksia voidaan hitsata tavallisin konventionaalisin hitsausmenetelmin ja kullekin seokselle ominaisin seosainein. Haponkestäviin teräksiin verrattaessa voidaan todeta, että nikkelivaltaisia seoksia hitsattaessa sula on viskoosimpaa. Erityyppisiä nikkeliseoksia voidaan hitsata toisiinsa ja myös ruostumattomiin teräksiin.

86 Nikkeliseosten lastuaminen Kaikkia nikkelivaltaisia teräksiä voidaan koneistaa pikateräs- tai kovametalliterällä. Kuten austeniittiset teräkset, myös nikkeliseokset muokkauslujittuvat helposti työstettäessä, jolloin materiaalin kovuus kasvaa. Nikkeliseoksia koneistettaessa tulee käyttää hidasta lastuamisnopeutta ja suurta syöttöä. Yleisesti ottaen nikkeliseosten koneistus on hieman hankalampaa kuin ruostumattomien terästen.

87 Sinkki ja sen seokset Sinkkiseoksilla on alhainen sulamispiste ja niinpä niitä käytetään valuseoksina. Pääseosaineena on yksinomaan alumiini. Tyypillinen painevaluseos sisältää 4% Al. Lisäksi seoksessa on kuparia ja magnesiumia. Seoksilla on hyvä juoksevuus ja niiden sulamispiste on vain C. Hienorakeisen valukappaleen aikaansaamiseksi on valulämpötilan ja muotin lämpötilan pysyttävä varsin tarkoissa rajoissa. Lisäksi valukappaleita on stabilointihehkutettava (valun jälkeen, kun halutaan tarkat mittatoleranssit. Stabiloimattomat seokset kutistuvat vähän muutamien viikkojen kuluessa.

88 Painevaluseosten korroosionkestävyys on samaa luokkaa kuin puhtaan sinkin. Näistä seoksista pystytään valamaan halvimmat, monimutkaisimmat ja ohutseinäisimmät painevalut ja niitä käytetään siellä, missä tarvitaan massatuotanto-osia. Esimerkkejä ovat: autojen kaasuttimet, polttoainepumput, monet pienosat, kuten ovenrivat, kotitalous- ja konttorikoneiden osat sekä sähkö- ja elektroniikkalaitteiden osat.

89 Lisättäessä alumiinin määrää 8-27% saadaan seoksia, joilla on paremmat lujuusominaisuudet kuin em. painevaluseoksilla ja joita voidaan valaa hiekka- ja grafiitti-muotteihin. Valulämpötila on C. Tyypillisiä käyttökohteita ovat esim. laakerit, hammaspyörät, tukipyörät, kotelot, kannet, lukonosat, elektroniikka- ja sähkölaitteiden osat ja hienomekaanisten laitteiden osat. Sinkkiseosten tuotantokustannukset ovat alhaisempia kuin muiden valettavien ei-rautametallien, johtuen alhaisesta valulämpötilasta ja vähäisestä sulatusenergiasta.

90

91 Muita metallisia materiaaleja - Kobolttiseokset - Metalliset liukulaakerimateriaalit

92 Kobolttiseosten kulumiskestävyys Kobolttiseoksilla saavutetaan kulumiskestävyyden lisäksi mm. hyvä iskujen ja lämpöshokkien kesto, korroosiokestävyys ja kuumuuden kesto Seokset erotellaan kulumistilanteen mukaan: Nimike C% Cr% Ni% Mo% W% Fe% Mn% Si% Co% Stelliitti (abras.) Hayenes (adhes.)

93 Metallisia liukulaakerimateriaaleja: Valkometallit eli lyijyn, tinan ja antimonin seokset (suuret paineet kriittisiä) Cu-seokset (kitkaominaisuus kriittinen) Al-seokset (voitelu kriittinen)

94 Vertailunäkökohtia Alumiinipronssiin lämmönjohtavuus suurempi PTFE:n massa n. 1/3 PTFE:n kuormitettavuus kertainen alumiinipronssiin verrattuna Korkein käyttölämpötila sama Alumiinipronssiin kulumiskestävyys parempi PTFE:n yli 2-kertaa kalliimpi