Esitiedot Mitkä ovat austeniittisten, ferriittisten ja martensiittisten ruostumattomien terästen käyttökohteet? Milloin austeniittiset laadut ovat välttämättömiä? Mitä eri laadut maksavat? Miten kupari vaikuttaa alumiiniseoksen ominaisuuksiin? Miksi kupari parantaa mekaanisia ominaisuuksia? Miksi kupari heikentää korroosion kestoa? Miten Al-Mg ja Al-Mg-Si seokset eroavat toisistaan? Esitiedot Miten Al-Mg ja Al-Mg-Si seokset eroavat toisistaan? Agening = vanheneminen Natural agening = luonnollinen vanheneminen Artificial agening = keinovanhennus Precipitate = erkauma Lattice parameter = hilamitta Precipiation hardening = erkaumakarkaisu 1 2 Kromiseostuksen vaikutukset teräksissä Aikaan saa passivoitumisilmiön ollessaan homogeenisena jähmeänä liuoksena. Laajentaa ferriitin stabiilisuusaluetta Muodostaa suuremmilla kromipitoisuuksilla hauraan metallien välisen yhdisteen (sigmafaasi) raudan kanssa Hiilipitoisuuden kasvu Cr- seosteisissa teräksissä laajentaa austeniitin stabiilisuusaluetta Lujittaa ferriittiä varsin vähän, joten runsaskromiset ferriittiset teräkset muokattavia Lisää karkenevuutta pieninä pitoisuuksina, vähentää jäännösausteniittia runsashiilisissä teräksissä Voimakas karbidinmuodostaja Parantaa hapettumis- ja kulumiskestävyyttä korkeissa lämpötiloissa Parantaa syöpymiskestävyyttä passivoitumisilmiön kautta; syöpymiskestävät teräkset. 3 4
Yleistä Ruostumaton teräs Ruostumattomissa teräksissä on yli 10.5% kromia Yli 30% Cr ja alle 50% Fe pitoisuudet harvinaisia Ruostumattomuus on seurausta teräksen pinnalla olevasta kestävästä kromioksidikerroksesta Kerros muodostuu itsestään (ja korjaantuu jos se vahinkoittuu) mikäli kromi voi reagoida hapen kanssa Muilla seosaineilla voidaan parantaan kerroksen ominaisuuksia 6 Yleistä Valintaperusteet Korroosion kestävyys Mekaaniset ominaisuudet halutussa ympäristössä Valmistettavuus Saatavuus Kustannukset (8/2004) Kuumamuokattu 304 = 2438 $/tonni Kuumamuokattu 316 = 3568 $/tonni 7 8
Luokittelu Martensiittiset ruostumattomat teräkset Kromipitoisuus 10.5-18% Hiilipitoisuus alle 1.2% Muut seosaineet: Nb, Si, W, V, Ni, S, Se Martensiittinen mikrorakenne saadaan aikaa nopealla jähdytyksellä Kestävät korroosiota lähinnä laimeissa ympäristöissä Seostuksella saadaan aikaan erikoiskarbideja joiden avulla kulumiskestävyys paranee. Luokittelu Ferriittiset ruostumattomat teräkset Kromipitoisuus luokkaa 10.5-30% Hiilipitoisuus alle 0.03% Muut seosaineet Mo, Si, Al, Ti, Nb, S, Se Hyvä murtovenymä ja muokattavuus Lujuus austeniittisia laatuja heikompi korkeissa lämpötiloissa Sitkeys voi olla huono matalissa lämpötiloissa tai isoissa kappaleissa. Sitkeyttä alentaa liian suuret hiili ja typpipitoisuudet etenkin jos kromipitoisuus on korkea. Hiilen ja typen sitomiseen käytetään Ti ja Nb seostusta 9 10 Luokittelu Austeniittiset ruostumattomat teräkset Kromipitoisuus 16-26% Nikkelipitoisuus < 35% Mangaanipitoisuus < 15% Muut seosaineet N, Mo, Cu, Si, Al, Ti, Nb Huoneen lämpötilan austeniittinen rakenne saadaan aikaan Ni, Mo ja N seostuksella Austeniitin myötölujuus on pieni, murtovenymä ja sitkeys ovat suuria. Muokkauslujittuu tehokkaasta Lujittamiseen käytetään kylmämuokkausta Erinomaiset ominaisuudet matalissa käyttölämpötiloissa Hyvä lujuus korkeassa lämpötilassa Luokittelu Austeniittiset ruostumattomat teräkset Korroosion kestävyys paranee kromipitoisuutta nostamalla. Useimmiten käytetään kuitenkin molybdeeniä sillä kromipitoisuuden lisääminen vaikeuttaa valmistamistamista Typpi Tyypilliset seokset Rosteri, kirkas, 304, 18-8 Hapon kestävä, 316 11 12
Luokittelu Austeniittis-ferriittiset (duplex) ruostumattomat teräkset Kromipitoisuus 18-28% Nikkelipitoisuus 4-19% Osa mikrorakenteesta on austeniittinen ja osa ferriittinen. Osuudet riippuvaisia seostuksesta ja lämpökäsittelystä. Useissa tapauksissa molempia on yhtä paljon Korroosion kestävyys samaa luokkaa kuin vastaavalla austeniittisella laadulla Lujuus arvot suuremmat kuin austeniittisilla laaduilla Sitkeys austeniittisten ja ferriittisten laatujen välissä 13 Luokittelu Erkaumakarkenevat Mikrorakenne joko austeniittinen tai martensiittinen Erkautuminen saadaa aikaan metallien välisiä yhdisteitä muodostavilla seosaineilla kuten alumiinilla ja kuparilla 14 Luokittelu Ferriittinen 0,03 11-14 - - Ei Kyllä 0,03 14-20 - 0-3 Ei Kyllä < 0,03 24-29 0-4.5 0-4 Ei Kyllä Austeniittinen 0,05 16-20 6-14 0-3 Ei Ei < 0,03 17-27 13-34 2-6 Ei Ei Ferriittisausteniittinen < 0,03 18-28 2,5-19 0-3,5 Ei Kyllä Martensiittinen C Cr Ni Mo Karkaisu Magneettinen < 0,15 11-13 - - Kyllä Kyllä 0,20 12-17 0-2.5 - Kyllä Kyllä 0,6-1,2 16-18 - - Kyllä Kyllä 15 16
Standardit AISI:lla mikrorakenteen mukainen jaottelu 3xx = austeniittiset ruostumattomat teräkset 4xx = ferriittiset ruostumattomat teräkset Poikkeuksia AISI:n pääjakoon 403, 410 ja muutama muu 4xx ovat martensiittisia 329 ferriittis-austeniittinen 201, 202, 205 austeniittisia Saksalaiset standardit Runsasseosteisen teräksen koostumus. Esimerkiksi X5CrNi18-10 X seosaineiden pitoisuuksia ei kerrota 5 = Hiilipitoisuus 0,05% 18 = Kromipitoisuus 18% 10 = Nikkelipitoisuus 10% Werkstoff numero ja vastaavuudet X5CrNi18-10 = 1.4301 = AISI 304 17 18 EU standardit EN 10028-7 Painelaiteteräkset. levytuotteet EN 10029 Kuumavalssatut teräslevyt, >3 mm, mitta-, muoto- ja painotol. EN 10051 Kuva pinnoittamaton nauhalevy ja nauha, mitta- ja muototol. EN 10088-2 Yleiseen käyttöön tarkoitetut levyt ja nauhat, tekniset toimitusehdot EN 10088-3 Yleiseen käyttöön tarkoitetut tangot, valssilangat, profiilit ja vastaavat puolivalmisteet, tekniset toimitusehdot EN 10095 Tulenkestävät teräkset ja nikkeliseokset EN 10259 Kylmävalssatut rst leveät teräsnauhat ja -levyt, mitta- ja muototol. EN 10272 Painelaiteteräkset, ruostumattomat terästangot EN 10278 Kirkkaiden terästuotteiden mitat ja toleranssit 19 Koostumus C max. Cr Ni Mo Muut ASTM Nimike 1.4301 0,07 17-19,5 8-10,5 304 X5CrNi18-10 1.4305 0,1 17-19 8-10 303 X8CrNiS18-9 1.4306 0,03 18-20 10-12 304L X2CrNi19-11 1.4307 0,03 17,5-19,5 8-10 304L X2CrNi18-9 1.4310 0,05-0,15 16-19 6-9,5 max. 0,8 301 X10CrNi18-8 1.4541 0,08 17-19 9-12 Ti 321 X6CrNiTi18-10 1.4401 0,07 16,5-18,5 10-13 2-2,5 316 X5CrNiMo17-12-2 1.4404 0,03 16,5-18,5 10-13 2-2,5 316L X2CrNiMo17-12-2 1.4432 0,03 16,5-18,5 10,5-13 2,5-3 316L X2CrNiMo17-12-3 1.4436 0,05 16,5-18,5 10,5-13 2,5-3 316 X3CrNiMo17-13-3 1.4539 0,02 19-21 24-26 4-5 Cu 904L X1NiCrMoCu25-20-5 1.4547 0,02 19,5-20,5 17,5-18,5 6-7 Cu S31254 X1CrNiMoCuN20-18-7 1.4571 0,08 16,5-18,5 10,5-13,5 2-2,5 Ti 316Ti X6CrNiMoTi17-12-2 1.4828 0,02 19-21 11-13 Si - X15CrNiSi20-12 1.4835 0,05-0,12 20-22 10-12 Si, Ce S30815-1.4003 0,03 10,5-12,5 0,3-1,00 S41050 X2CrNi12 1.4016 0,08 16-18 430 X6Cr17 1.4512 0,03 10,5-12,5 Ti 409 X2CrTi12 1.4460 0,05 25-28 4,5-6,5 1,3-2 329 X3CrNiMoN27-5-2 1.4462 0,03 21-23 4,5-6,5 2,5-3,5 S31803 X2CrNiMoN22-5-3 20
Metallografia Ruostumattomien terästen mikrorakenteen syövytys on hankalaa (yllätys-yllätys). Väkevämmät konsentraatiot (esim. 60% HNO 3 ) Happojen lämmittäminen Sähkövirta Värisyövytteet Valuseokset EN 10283 Korroosiotakestävät valuteräkset Amerikkalaiset Alunperin Alloy Casting Institute (ACI) Nykyään High Alloy Product Group of the Steel Founders' Society of America (www.sfsa.org) Nimeäminen C = korroosion kesto H = korkeakäyttölämpötila Cr- ja Ni-pitoisuudet kirjaimilla A-Y (seuraavan sivun taulukko) Hiilipitoisuus sata kertaisena Muut seosaineet kirjain tunnuksena 21 22 Valuseokset Valuseokset Esimerkiksi CF-3 Cr-pitoisuus 17-21% Ni-pitoisuus 8-12% C-pitoisuus 0.03% Esimerkiksi CF-8M Cr-pitoisuus 18-21% Ni-pitoisuus 9-12% C-pitoisuus 0.08% Mo-pitoisuus 2-3% 23 Table 1 Compositions and typical microstructures of ACI corrosion-resistant cast steels Composition, %(b) ACI type C Mn Si Cr Ni Others(c) Chromium steels CA-15 0.15 1 1.5 11.5-14.0 1 0.50Mo(d) CA-15M 0.15 1 0.65 11.5-14.0 1 0.15-1.00Mo CA-40 0.4 1 1.5 11.5-14.0 1 0.5Mo(d) CA-40F 0.2-0.4 1 1.5 11.5-14.0 1... CB-30 0.3 1 1.5 18.0-22.0 2... CC-50 0.3 1 1.5 26.0-30.0 4... Chromium-nickel steels CA-6N 0.06 0.5 1 10.5-12.5 6.0-8.0... CA-6NM 0.06 1 1 11.5-14.0 3.5-4.5 0.4-1.0Mo CA-28MWV 0.20-0.28 0.50-1.00 1 11.0-12.5 0.50-1.00 0.9-1.25Mo; 0.9-1.5W; 0.2-0.3V CB-7Cu-1 0.07 0.7 1 15.5-17.7 3.6-4.6 2.5-3.2Cu; 0.20-0.35Nb; 0.05N max CB-7Cu-2 0.07 0.7 1 14.0-15.5 4.5-5.5 2.5-3.2Cu; 0.20-0.35Nb; 0.05N max CD-4MCu 0.04 1 1 25.0-26.5 4.75-6.0 1.75-2.25Mo; 2.75-3.25Cu CE-30 0.3 1.5 2 26.0-30.0 8.0-11.0... CF-3(e) 0.03 1.5 2 17.0-21.0 8.0-12.00... CF-3M(e) 0.03 1.5 2 17.0-21.0 8.0-12.0 2.0-3.0Mo CF-3MN 0.03 1.5 1.5 17.0-21.0 9.0-13.0 2.0-3.0Mo; 0.10-0.20N CF-8(e) 0.08 1.5 2 18.0-21.0 8.0-11.0... CF-8C 0.08 1.5 2 18.0-21.0 9.0-12.0 Nb(f) CF-8M 0.8 1.5 2 18.0-21.0 9.0-12.0 2.0-3.0Mo 24
Valuseokset Koostumuksen vastaavuuksia CF-8M 0.8 1.5 2 18.0-21.0 9.0-12.0 2.0-3.0Mo CF-10 0.04-0.10 1.5 2 18.0-21.0 8.0-11.0... CF-10M 0.04-0.10 1.5 1.5 18.0-21.0 9.0-12.0 2.0-3.0Mo CF-10MC 0.1 1.5 1.5 15.0-18.0 13.0-16.0 1.75-2.25Mo CF-10SMnN 0.1 7.00-9.00 3.50-4.50 16.0-18.0 8.0-9.0 0.08-0.18N CF-12M 0.12 1.5 2 18.0-21.0 9.0-12.0 2.0-3.0Mo CF-16F 0.16 1.5 2 18.0-21.0 9.0-12.0 1.50Mo max; 0.20-0.35Se CF-20 0.2 1.5 2 18.0-21.0 8.0-11.0... CG-6MMN 0.06 4.00-6.00 1 20.5-23.5 11.5-13.5 1.50-3.00Mo; 0.10-0.30Nb; 0.10-30V; 0.20-40N CG-8M 0.08 1.5 1.5 18.0-21.0 9.0-13.0 3.0-4.0Mo CG-12 0.12 1.5 2 20.0-23.0 10.0-13.0... CH-8 0.08 1.5 1.5 22.0-26.0 12.0-15.0... CH-10 0.04-0.10 1.5 2 22.0-26.0 12.0-15.0... CH-20 0.2 1.5 2 22.0-26.0 12.0-15.0... CK-3MCuN 0.025 1.2 1 19.5-20.5 17.5-19.5 6.0-7.0V; 0.18-0.24N; 0.50-1.00Cu CK-20 0.2 2 2 23.0-27.0 19.0-22.0... Nickel-chromium steel CN-3M 0.03 2 1 20.0-22.0 23.0-27.0 4.5-5.5Mo CN-7M 0.07 1.5 1.5 19.0-22.0 27.5-30.5 2.0-3.0Mo; 3.0-4.0 Cu CH-7MS 0.07 1.5 3.50(g) 18.0-20.0 22.0-25.0 2.5-3.0Mo; 1.5-2.0Cu CT-15C 0.05-0.15 0.15-1.50 0.50-1.50 19.0-21.0 31.0-34.0 0.5-1.5V Martensiittiset GX4CrNi13-4 = CA6NM Austeniittiset GX2CrNi19-11 = CF3 = 304L GX5CrNi19-11 = CF8C = 347 tai 348 GX2CrNi19-11-2 = CF3M = 316L GX5CrNi19-11-2 = CF8M = 316 25 26 Ruostumattomien terästen ruostuminen Jos ruostumattoman teräksen pinnalla oleva passivaatiokerros rikkoutuu ja jos uutta kerrosta ei synny, teräs ruostuu Passivaatiokerroksen synty estyy jos happipitoisuus pinnalla on pieni. Esimerkiksi veteen liuenneen hapen määrä voi vaihdella paikallisesti Nikkeli edistää passivaatiokerroksen syntyä (etenkin pelkistävissä olosuhteissa) Molybdeeni parantaa passivaatiokerrosta erityisesti kloridi-ioneja vastaan 27 Ruostumattomien terästen ruostuminen Austeniittiset laaduilla voi tapahtua herkistyminen Kromi reagoi hiilen kanssa, jolloin kromipitoisuus laskee paikallisesti Estetään pienentämällä hiilipitoisuus (304 -> 304L) tai sitomalla hiili (Ti ja Nb seostus) Vältetään lämpötiloja joissa herkistyminen tapahtuu Kaikkilla austeniittisilla laaduilla on jonkin verran taipumusta jännityskorroosioon Taipumus suurimmillaan nikkilipitoisuuksilla 8-10% Erityisesti 304 ja 316 Suuremilla nikkelipitoisuuksilla jännityskorroosion kesto paranee (30% Ni kestää jo melkein mitä vaan) 28
29 30 Ruostumaton teräs korkeissa lämpötiloissa Hiili- ja niukkaseosteisia teräksiä käytetään usein alle 370 C lämpötiloissa Ruostumattomien terästen (etenkin austeniittisten) lujuus ja ympäristön kestävyys on huomattavasti parempi 31 32
Alumiinin valmistaminen Alumiini Alumiinia valmistetaan pääasiassa bauksiitista jota syntyy trooppisissa olosuhteissa silikaattimineraalien rapautuessa. Tärkeimpiä bauksiitin esiintymisalueita ovat: Australia Brasilia Intia Kiina Länsi-Afrikka Venäjä Yhdysvallat Suomessa ei esiinny bauksiittia 34 Bauksiitti Jalostetun bauksiitin tyypillinen koostumus on Al 2 O 3 60-65% Fe 2 O 3 <28% SiO 2 <6% TiO 2 <3% H 2 O <12-30% Oksidit esiintyvät bauksiitissa hydratoituneessa muodossa eli esimerkiksi Al 2 O 3 tulee joko Al(OH) tai Al(OH) 3 yhdiste. Rautaoksidi antaa bauksiitille sille tyypillisen punaruskean värin. Alumiinioksidin valmistus Ennen kuin bauksiitista saadaan alumiinia se jalostetaan puhtaaksi alumiinioksidiksi. Tyypillisesti käytetään Bayerin prosessia murskaus kuivaus jauhaminen liuotus natriumhydroksidiin liukenemattomien epäpuhtauksien sakeuttaminen suodatus ja jäähdytys alumiinihydroksidin sakeutuminen natriumhydroksidin poistaminen (pesu) alumiinihydroksidin kuivaus (kalsinointi) 35 36
Alumiinin valmistus Alumiinia ei pystytä pelkistämään hiilen avulla alumiinioksidista (vertaa raudan valmistukseen). Alumiinin ja hapen välinen sidos on vahvempi kuin mitä hiilen ja hapen, joten pelkistämisessä joudutaan käyttämään muita menetelmiä. Tyypillisesti käytetään Hall-Héroult menetelmää, missä alumiinioksidi liuotetaan elektrolyyttiin ja hajotetaan sähkövirralla. Elektrolyyttinä käytetään alumiinifluoridia AlF 3 ja kryoliitia Na 3 AlF 6 Alumiinin valmistus Katodina käytetään hiilellä vuorattua teräslaatikkoa ja anodina hiiliharkkoa Anodin ja katodin välinen jännite on noin 5V ja virta luokkaa 30 300 ka Alumiinioksidi hajoaa Al 3+ ja O 2- ioneiksi sähkövirran ja elektrolyytin avulla. Happi-ionit kulkevat anodille ja reagoivat siellä hiilen kanssa. Hiilimonoksidi poistuu uunista 37 38 Alumiinin valmistus Alumiini-ionit kulkevat katodille ja pelkistyvät alumiiniksi. Sula alumiini on tiheämpää kuin elektrolyytti joten alumiinisulaa kertyy uunin pohjalle. Alumiinioksidia lisätään jatkuvasti kunnes riittävä määrä alumiinia on valmistettu Alumiinin valmistus 1000 kg alumiinia tarvitaan 2000 kg alumiinioksidia (eli 4000 kg bauksiittia) 13000 kwh sähköenergiaa 550 kg anodihiiltä 30 kg alumiinifluoridia 25 kg kryoliittiä Koska alumiinin valmistamiseen tarvitaan paljon sähköä, valmistetaan alumiinia halvan sähköenergian (vesivoiman) maissa (Norja, Islanti, Kanada, Venezuela) 39 40
Alumiinin kierrätys Alumiinin etuja ominaisuudet Alumiini on ihanteellinen materiaali kierrätettäväksi koska sen uudelleen sulattaminen vaatii vain 5% primäärialumiinin valmistamiseen tarvittavasta energiasta. Alumiinin erottelu muista metalleista on helppoa rauta metalleihin käytetään sähkömagneettia muut metallit erotetaan tiheyden perusteella Suomessa valmistetaan vuosittain noin 50000 tonnia kierrätysalumiini ja 80-90% alumiinivaluista tehdään kierrätetystä alumiinista 41 Keveys (tiheys 2.7 g/cm3) Kohtalainen ja laajalla alueella säädettävissä oleva lujuus Hyvä lujuus/painosuhde Soveltuvuus muokattaviksi ja valettaviksi seoksiksi Korroosionkestävyys Poikkileikkaukseltaan monimutkaisten profiilien valmistusmahdollisuus (pursotus) Hitsattavuus Sitkeyden säilyminen matalissakin lämpötiloissa Hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus Kipinöimättömyys Kohtuullisen edullinen hinta 42 Alumiinin heikkouksia Alhainen kovuus Heikko kulumiskestävyys ja taipumus tarttumiskulumiseen Alhainen kimmomoduli ja rakenteiden riittämätön jäykkyys Alhainen lämpötilan kesto Alhainen väsymislujuus Alumiinivaluseosten usein alhainen sitkeys Voimakas lämpölaajeneminen vaikeuttaa mm. hitsausta 43 Standardit Seosten merkintä: merkintään kuuluvat seuraavat elementit: EN (Euronormi), A (alumiini), W (muokattava seos) tai C (valettava seos), väliviiva, nelinumeroinen tunnus, jonka ensimmäinen numero yksilöi pääseosaineen ja muut numerot kemiallisen koostumuksen, tarvittaessa kansallista poikkeamaa osoittava kirjain sekä toimitustilaa osoittava tunnus esim. EN AW-5052A T4 tai SFS-EN AC-42000 T6 Merkintä voi myös perustua kemialliseen koostumukseen siten, että alku on sama kuin edellä, mutta sen jälkeen tulevat seosaineiden kemialliset merkit ja niiden pitoisuus painoprosentteina (pitoisuudeltaan suurin ensiksi mainittuna). Pitoisuus pyöristetään kokonaisluvuksi ja alle prosentin pitoisuutta ei tavallisesti merkitä esim. SFS-EN AW-AlCu4SiMg T4 44
Ei erkaumakarkenevat seokset Muokatut alumiiniseokset jotka eivät erkaumakarkene. Puhtaat alumiinit ja Mn ja Mg seokset 1000 -sarja puhtaat kaupallisesti puhtaat 3000 -sarja Al-Mn Al-Mn-Mg 5000 -sarja Al-Mg 8000 -sarja muut seokset Super puhtaat 99.99% Kaupallisesti puhtaat >99% Sovellukset Alumiinifolio Kemiallinen kestävyys Korroosionkestävyys Sähköjohtavuus Ulkonäköön perustuvat sovellukset 1000 -sarja Vanha ja käytetty materiaali. Saatavilla monissa muodoissa. Super-puhtaan alumiinin myötölujuus 7-11 MPa. 45 46 3000 -sarja 5000 -sarja Keskinkertaisen lujuuden seoksia, joilla on hyvä sitkeys ja erinomainen korroosionkestävyys. Al-Mn (max. 1.25% Mn) Rauta laskee Mn liukoisuutta, jolloin voi muodostua hauraita Al 6 Mn partikkeleja Al-Mg 3003 yleisin Foliot Katot Kattilat yms Al-Mn-Mg Liuoslujitus 3105 Al-0.55Mn-0.5Mg helppo valmistaa 3004 käytetyin Al-1.25Mn-1.05Mg Virvoituskuomatölkit Mg 0.8-5% Magnesium pitoisuuksilla 3-4% voi erkautua Mg 5 Al 8 faasia liukunauhoinin ja raerajoille (voimakas muovaus tai korotetut lämpötilat) Raerajakorroosio tai jännityskorroosio Cr ja Mn auttaa koska Mg pitoisuutta voidaan laskea esimerkiksi Al-2.7Mg-0.7Mn- 0.12%Cr seoksen lujuusominaisuudet lähellä seosta Al-4%Mg Paikallinen elpyminen voi aiheuttaa pehmenimista huoneenlämpötilassa lujuusominaisuudet putoavat stabilointi 120-150 C Alumiini levyt Hitsatut rakenteet Tankkeja polttoaineella, maidolle, viljalle etc. Paineastiat (alhaiset lämpötilat) Korroosionkestävyys Veneet, laivojen rakenteet 47 48
Erkaumakarkenevat seokset Al erkaumakarkaisu 2000-sarja Al-Cu Al-Cu-Mg 6000- sarja Al-Mg-Si 7000- sarja Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg-Cu Litium seokset Keskilujat hitsattavat seokset Al-Mg-Si Al-Zn-Mg Korkeanlujuuden vaikeasti hitsattavat seokset Al-Cu Al-Cu-Mg Al-Zn-Mg-Cu 49 50 Al erkaumakarkaisu Erkaumakarkaisu ja dispersiolujitus Erkauma muodostaa jännityskentän, joka lujittaa materiaalia tehokkaasti laajalla alueella Dispersiot lujittavat huonommin kuin erkaumat, mutta niiden etuna on erkaumia parempi stabiilisuus lämpötilan kasvaessa 51 52
Erkauma vs. Dispersio Koherentti erkauma Erkauma voi olla koherennti tai epäkoherentti Muodostuu hilasta toisen faasin atominen erkautumisella Lujittaa hyvin koherenttina tai semikoherenttina erkaumana Dispersio Epäkoherentti Muodostuu toisen faasin joutuessa materiaalin sekaan kökköinä Sulkeuma vs. dispersio? Sellainen toisen faasin partikkeli hilassa, jossa hilatasot jatkuvat hilasta erkaumaan tullessa. Hilan tasot ovat samansuuntaisia sekä erkaumassa että hilassa, ja hilaparametrit ovat niin lähellä toisiaan, että hilatasot taipuvat mutteivät katkea 53 54 Epäkoherentti erkauma Toisen faasin partikkeli hilassa, jossa hilatasot katkeavat erkauman ja perushilan välissä Perushilan ja erkauman hilatasojen ei myöskään tarvitse olla samansuuntaisia 2000- sarja Al-Cu-Mg Alfred Wilm 1906 Berliinissä, Duralumin, Al-3.5Cu-0.5Mg- 0.5Mn, Zeppelin Versio 2017 yhä käytössä 55 56
6000- sarja Al-Mg-Si seokset ovat paljon käytettyjä keskilujia seoksia. Hyvä hitsattavuus Hyvä korroosionkestävyys Ei jännityskorroosiota Pääasiassa ekstruusioita Al-Mg 2 Si tasapainopiirros Atomimassat: Mg 24.3050 amu Si 28.0855 amu Mg:Si suhde 1.73 7000- sarja Al-Zn-Mg Keskiluja seos Zn:Mg > 1 Hitsattava Suuri lämpötila-alue liuoshehkutukselle (> 350 C) Epäherkkä jäähdytysnopeudelle Vanhenee huoneenlämpötilassa Al-Zn-Mg-Cu Luja seos Korroosionkestävyys hyvä, erityisesti kun Cu ja Zn pitoisuudet pienet. 57 58 Väsyminen Käytetyillä lujittamismenetelmillä ei ole sanottavaa vaikutusta alumiinin tai alumiiniseosten pitkän kes toiän väsymislujuuteen Suhde väsymislujuus/vetomurtolujuus on alumiinilla luokkaa R w /R m = noin 0.25-0.4, kun se muilla metalleilla vaihtelee pääsääntöisesti välillä 0.45-0.6 Alumiiniseoksen staattisen lujuuden kasvaessa suhdeluvun arvo huononee Korotettu lämpötila alentaa väsymislujuutta Korroosioympäristö (kloridit) vaikuttaa väsymiskestävyyteen 59 60
Hitsaus Perinteinen hitsaus (kaasu- ja puikkohitsaus) on hankalaa. Sen sijaan kaasukaarihitsauksena (MIG ja TIG) hitsaus onnistuu vähintäänkin kohtuullisesti. Hankaluuksia Alhainen sulamispiste; ei värinmuutoksia sulaessa Oksidikalvot (sulan juoksevuus); liitosvirheet Suuri lämpölaajeneminen, hyvä lämmönjohtavuus Kaasujen liukoisuus sulaan Virheiden muodostumista suosiva jähmettymismekanismi Paikallinen lujuuden lasku erkaumalujitetuissa seoksissa Korroosio Korroosionkestävyys perustuu voimakkaaseen passivoitumisilmiöön; reaktiivinen metalli muuttuu hyvin ilmastollista ja makean veden korroosiota kestäväksi. korroosionkestävyys heikkenee seostuksen kasvaessa: haitallisia aineita ovat mm: kupari, rauta, nikkeli, sinkki, (pii+kupari) hyödyllisiä aineita ovat: magnesium (emäksiset + suolapitoiset ympäristöt) mangaani ja kromi (jännityskorroosio) Korroosionkestävyyttä voidaan parantaa anodisointiprosessin avulla 61 62 Anodisoinnissa syntyvä alumiinioksidikerros. 63 Anodisoitu alumiinioksidikerros: a) ennen tiivistystä, b) tiivistyksen jälkeen. 64
Valettavat alumiiniseokset Valuseokset Tyypilliset valumenetelmät Hiekkavalu Kestomuottivalu (kokillivalu) Painevalu Alumiinivalujen hyviä puolia Pieni tiheys Matala sulamispiste Kaasujen liukeneminen sulaa pientä (poikkeuksena vety) Huonoja puolia Kutistumat Tyypillisesti käytetään Al- Si seoksia. Muut Al-Cu Al-Mg Al-Zn-Mg Mikrorakenteella on suuri vaikutus valetun rakenteen mekaanisiin ominaisuuksiin Tavoitteena hieno tasa-akselinen mikrorakenne, jolloin saadaan yhtäaikaa suuri lujuus ja murtovenymä Pienillä pii pitoisuuksilla syntyy alumiinin dendriittinen rakenne. Suuremmilla pii jähmettyy primäärisenä faasina. Hidas jähtyminen edes auttaa karkean rakenteen syntymistä 65 66 Valuseokset Rakennetta voidaan hienontaa lisäämällä ennen valua titaani-booripitoista suolaa tai esiseosta Seosaineen muodostavat ydintymistä lisääviä yhdisteitä (tyypillisesti TiAl 3 ja TiB 2 ) sulaan Valuseokset Hienompi rakenne saadaan myös modifiontikäsittelyllä Pieni määrä kalsiumia, natriumia, strontiumia, antimonia haittaa piifaasin kasvua jähmettymisen yhteydessä, jolloin rakenteesta tulee hieno Huokoset Sulaan alumiiniin liukenee vetyä enemmän kuin kiinteään. Vety muodostaa jähmettymisen yhteydessä pyöreitä huokosia, jotka laskevat lujuusarvoja Tilavuuden pieneneminen jähmettymisen yhteydessä aiheuttaa huokoisuutta ja lujuuden laskua 67 68
Piirakenteen modifiointikäsittelyn vaikutus piipitoisen alumiinivaluseoksen mekaanisiin ominaisuuksiin 69