Kuparimetallit Kupari Ensimmäinen ihmiskunnan hyötykäyttöön ottama metalli, käytetty ~ 11,000 vuotta Yli puolet käytetään sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa => kuparien jaottelu Sähkötekniset ja ei-sähkötekniset kuparit 1
Yleisiä ominaisuuksia Suuri lämmön- ja sähkönjohtavuus Hyvä korroosionkestävyys Sitkeä Pinnanlaatu - kiillotettavuus Ei magneettinen Kipinöimätön Tiheys 8,9 g/cm 3 Kupari Sulamispiste 1084 C Hapettuu helposti Sähkönjohtavuus 2. sija Lujuus Riippuu seostuksesta ja toimitustilasta Puhdas kupari ~ m 220 250 MPa, 0,2 raja 40 100 MPa Lujin seos m lähes 1400 MPa E ~ 100 MPa Sitkeä, venymä riippuu toimitustilasta, suurimmillaan ~ 75% 2
Kuparimetallit Ryhmitellään seuraavasti 1. Kuparit Puhdistetut kuparit, joiden kuparipitoisuus on vähintään 99,85 % 2. Kupariseokset Sisältävät haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi yhtä tai useampaa seosainetta, kuten esimerkiksi sinkkiä, tinaa, lyijyä, alumiinia, arseenia, nikkeliä tai rautaa 3. Seostetut kuparit, joiden kuparipitoisuus on vähintään 97,5 % Seostettujen kupareiden seosaineet on lisätty antamaan kuparille perusaineesta poikkeavia ominaisuuksia Seostetut kuparit (mm.) Cu Zn, sinkkiseokset Messingit Cu - Sn Pronssit ja punametallit Cu Al Alumiinipronssit Cu Ni Nikkelikuparit Cu NI Zn Uushopeat 3
Cu Be, Berylliumkupari (beryllimpronssi) Lujin kuparimetalleista Lujuus suurimmillaan erikoislujien terästen luokkaa (1300 MPa) Käyttö mm. Valumuotteina Jousina Standardiliittimissä Tietokoneosissa Gyroskoopeissa Avaruussukkuloiden satelliittien ja ohjusten tukirakenteissa Beryllium on karsinogeeni Puhdas kupari Puhdas kupari on sähkö- ja elektroniikkateollisuuden materiaali Aikoinaan rakennusmateriaalina Messinki Lujempia kuin puhdas kupari Hyvä lastuttavuus Kovuus kulumisen kestävyys Miellyttävä väri 4
Valmistettavuus Valettavuus Hyvä erittäin hyvä Lastuttavuus Kohtuullinen erittäin hyvä Muovattavuus Olematon erittäin hyvä Hitsattavuus Huono kohtuullinen Kiillotettavuus Hyvä erinomainen Lastuttavuus 5
Kuparimetallien käyttökohteita Cu Zn Merivesiputkistoja, suolanpoistolaitteita Lämmönvaihtimia Julkisivujen verhouksia Cu Be(410-1400 N/mm 2 ) Jousia Liittimiä (elektroniikka) Releitä Cu Sn Hammaspyöriä Kierukkapyöriä Liukulaakereita Kuparimetallien käyttökohteita Cu Zn Merivesiputkistoja, suolanpoistolaitteita Lämmönvaihtimia Julkisivujen verhouksia Cu Be(410-1400 N/mm 2 ) Jousia Liittimiä (elektroniikka) Releitä 6
Kuparimetallien käyttökohteita Cu Ni Liukulaakereita Vesikalusteita Cu Kolikoita 7
Kuparimetallien käyttökohteita Cu Ni Al Fe - Ni Valtamerialusten potkureita Cu Ni Zn (uushopea, alpakka) Koriste-esineitä Ruokailuvälineitä Potkurin Ø => 6,6 m Paino => 180.000 kg 8
Superseokset Superseokset Säilyttävät lujuutensa Hyvä korroosion ja hilseilynkestävyys Hyvä virumiskestävyys Korkeissa lämpötiloissa Ni-pohjaiset Ni-Fe-pohjaiset Co-pohjaiset 9
Lujuus korkeissa lämpötiloissa 120 830 Yield Myötölujuus Strength at 650 1200 F o C 100 690 550 80 420 60 280 40 140 20 0 304 309/310 Ni-Cr-Fe HS SS Ti-6-4 Super 12Cr H13 Superalloy Ni-pohjaiset Yleisimpiä lämpötiloissa 750 980 C Hyvä virumislujuus Turbiininsiipi Erilliskide 10
Co-pohjaiset Erittäin hyvä kuumakorroosionkestävyys ja lujuus vielä lämpötiloissa 980 1100 C Tyypillisiä lämpötiloja turbiineissa ja palokammioissa 11
Metallien kierrätyksestä 12
Siitä huolimatta, että esim. rauta ja alumiini kuuluvat maankuoren yleisimpiin alkuaineisiin, kannattaa niiden kierrätys kannattaa, koska kierrätysraaka-ainetta hyödyntävä metallinjalostus säästää energiaa metallista riippuen 60 95 prosenttia! 13
Metalleja voi kierrättää loputtomasti! Toisin kuin paperilla ja muovilla, teräksen ominaisuudet eivät heikkene kierrätyksessä! Teräksen kierrätys Teräksen ikuisen kierrätyksen rajoitteena on kupari Kierrätysteräksen kuparipitoisuus ei saa ylittää 0,25 % Radioaktiivisuus on kokonaan poissuljettu Esim auton painosta on keskimäärin Terästä 59 % Alumiinia ja valurautaa 7 % Sinkkiä ja kuparia 1,5 % Ruostumatonta terästä 1 % 14
Masuuniprosessi Pelletti 450 kg/trr Koksaamo Koksi 345 kg/trr Sintteri + 6 mm 1100 kg/trr Masuuni Pölysäkki Masuunikaasu 220 knm 3 /h Pesuri Sähkösuodin Fakkeli Siilolaitos Vaaka Masuunipöly 3 kg/trr Liete Kaasukello Voimalaitos ja koksaamo Suljettu jäähdytyssysteemi 1 2 3 M2 M1 T1 Happi 12500 Nm 3 /h 1 2 3 4 Kylmä ilma 140 knm3/h Happilaitos Cowperit Masuunikaasu 80 knm 3 /h Puhallusilma (1150 o C) Öljy 110 kg/trr Kuonan kaato Valuhalli Kuona 215 kg/trr Raakarauta (1470-1490 o C) 3750 t/d Rikinpoistolaitos Granulointi 850 t/d Mikserit Harkkovalimo Alumiinin kierrätys Kallis valmistaa Halpa kierrättää Kierrätysalumiinin valmistuksessa energian tarve on vain 5 % bauksiitista tehtyyn raaka-alumiiniin verrattuna Al tölkki roskiin heitettynä vastaa n. 3 l bensan tuhlausta Toisin kuin paperilla ja muovilla, alumiinin ominaisuudet eivät heikkene kierrätyksessä! 15
Kuparin kierrätys Joissakin maissa messingin kierrätysprosentti on likimain 100 Toisin kuin paperilla ja muovilla, kuparin ominaisuudet eivät heikkene kierrätyksessä! Opintojakson päätavoitteet I-periodilla, 1. Oppia metalliopissa käytettävää terminologiaa 2. Oppia eri metallien valmistuksen perusteita 3. Oppia fysikaalisen metallurgian perusteita 4. Opastaa perusteita materiaalien ja eri valmistusmenetelmien yhteensopivuudesta 16
Sisällön painopisteitä 1. Metalliopin alkeet 2. Yleistä materiaaliominaisuuksista ja niiden mittaamisesta 3. Teräkset, nimitykset ja peruskäsittelyt 4. Alumiinit 5. Valuraudat I-periodi 6. Muita metallisia materiaaleja Miksi on tärkeää tietää perusasiat materiaalitekniikasta Materiaali Valmistus Seostus Lämpökäsittely Mikrorakenne Ominaisuudet Ongelma: Laaja kirjo materiaaleja, joilla on käytännössä samat mekaaniset ominaisuudet, MUTTA VALMISTETTAVUUS, KESTOIKÄ, KUSTANNUKSET? 17
Tyypillinen vetokoekäyrän muoto (matalalujuuksinen rakenneteräs) J ä n n i t y s Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä Tasavenymä Testikappale menee poikki (pysyvä Myötövenymä (palautuva) Suhteellinen venymä Palkin poikkileikkaus (paino), kun taipuma on rajoitettu F Lujuus kasvaa 50 % Lujuus kasvaa 270 % S235 S355 S640 18
Materiaaliominaisuuksia Kovuus Sitkeys Iskusitkeys Valmistettavuus Teräksen jähmettyminen tasapainopiirroksen mukaisesti = hitaasti Lopputulos on ferriittiä ja perliittiä, kun C-pit. <0,8 % sementiittiä ja perliittiä, kun C-pit. >0,8 % perliittiä, kun C-pit. = 0,8 % Perliitti lamellimaista ferriitin ja sementiitin seosta vuorottain ferriitti- ja sementiittilamelleja 19
Välisijaliuos Hiilen liukenevuuden erot - ja -Fe:n välisijoihin yhdessä allotropian kanssa on perusta terästen laajalle ominaisuuskirjolle Mahdolliset faasimuutokset Austeniitti Hidas jäähdytys Nopeutettu jäähdytys Nopea jäähdytys Perliitti+esieutektoid. faasi ( tai Fe 3 C) Bainiitti Martensiitti Lujuus Martensiitti Päästöm. Bainiitti Hienorak perliitti Karkearak perliitti Sitkeys Päästö Päästömartensiitti Yleisilme 20
Karkenevuus vs. kovuus Karkenevuus martensiitin synty Kovuus - hiilipitoisuus HRC Kovuus 60 50 40 30 20 10 Seostettu teräs Seostamaton teräs HRC Kovuus 60 50 40 30 20 10 0,2 0,5 0,7 Hiilipitoisuus 20 40 60 mm 80 Etäisyys jäähdytyspäästä Karkaisun suorittaminen: Kuumentaminen (austenitoiminen) Sammuttaminen nopea jäähdytys Päästö kuumennus esim. max. + 350 C, pitoaika 2 h sitkeys kasvaa ja kovuus laskee Nuorruttaminen Päästäminen korkeassa lämpötilassa (+ 400 + 700 C), vaihtoehto päästölle 21
Karkenevuus vs. kovuus Karkenevuus martensiitin synty Kovuus - hiilipitoisuus HRC Kovuus 60 50 40 30 20 10 Seostettu teräs Seostamaton teräs HRC Kovuus 60 50 40 30 20 10 0,2 0,5 0,7 Hiilipitoisuus 20 40 60 mm 80 Etäisyys jäähdytyspäästä Karkaisun suorittaminen: Kuumentaminen (austenitoiminen) Sammuttaminen nopea jäähdytys Päästö kuumennus esim. max. + 350 C, pitoaika 2 h sitkeys kasvaa ja kovuus laskee Nuorruttaminen Päästäminen korkeassa lämpötilassa (+ 400 + 700 C), vaihtoehto päästölle 22
Ruostumattomat teräkset Pääryhmät Austeniittiset Austeniittis-ferriittiset (duplex) Ferriittiset Martensiittiset K o r o s i o n k e t ä v y s Alumiini rakenneaineena Alumiinin ja sen seosten käyttö erilaisissa rakenteissa on lisääntynyt huomattavasti Alumiinin hyviä puolia lujuus-paino suhde korroosionkestävyys (ilmasto) helppo muotoilla helppo työstää helppo valaa pintakäsittely hygieenisyys 23
Pursotteet Ominaisuuksia Voimakas taipumus yhtyä happeen ja typpeen korkeissa lämpötiloissa Korroosionkestävyys on erinomainen alhaisissa lämpötiloissa, monissa olosuhteissa parempi kuin ruostumattomien terästen (passiivikalvo lujempi) 24
Lämmönvaihtimia Kemian- ja energiateollisuus Höyryturbiinin siivet Putkia ja putkistojen osia Selluloosa- ja peperiteollisuus 25
VÄLIKOE Ryhmätentti Aika ja paikka sovitaan erikseen 26