13. Alumiiniseosten sulatus Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto Alumiiniseosten sulatukseen käytetään nykyisin tavallisesti vastusupokasuuneja, harvemmin öljytai kaasukäyttöisiä upokasuuneja tai induktiouuneja. Upokkaat on yleensä valmistettu grafiitista tai piikakarbidista. Alumiinin alhaisen sulamislämpötilan vuoksi voidaan käyttää myös valurautaisia upokkaita. Koska sula alumiini liuottaa itseensä rautaa, pitää upokkaan olla hyvin peitostettu sulan kosketuksen estämiseksi. Samoin senkka tai kauha täytyy olla hyvin peitostettu ellei käytössä ole keraaminen kauha. Kuva. Sulatustapahtuma vastusupokasuunilla Kuva. Keraaminen valukauha Keraamisen kauhan kunnosta on myös huolehdittava, kuten poistettava sularoiskeet pinnalta, sekä varoa vahingoittamasta kauhan pinta. Tällöin irtoaa tulenkestävää materiaalia, joka voi joutua sulan mukana muottiin. Niin kuin kuparimetallitkin, liuottavat myös alumiinimetallit itseensä halukkaasti vetyä, joka erottuu kuplina metallin jähmettyessä. Pääasiallisia vedyn lähteitä ovat ilman ja palokaasujen vesihöyry, kosteat työkalut tai raaka- aineet sekä kosteat suojasuolat. Kuvassa on keraaminen koemuotti sulan alumiinin kaasupitoisuuden toteamista varten. Havaintokuvasta nähdään kaasuja sisältävän sulan jähmettyessä muodostuvan kuplia, jotka näkyvät arpina koekappaleen pinnassa. Kuva. Koemuotti 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Alumiiniseosten sulatus - 1
Suojasuolaa käytetään sulan pinnalla ilman ja palokaasujen kosketuksen estämiseksi. Suurimittaisessa toiminnassa poistetaan kaasut kloorikaasuhuuhtelulla. Koska kloorikaasu on myrkyllistä, pyritään huuhtelussa käyttämään mukana myös typpikaasua. Kaasupoistohuuhtelu voidaan suorittaa myös upottamalla sulaan heksakloorietaania C 2 CI 6 sisältäviä puristeita. Alumiiniseoksista voidaan kaasut poistaa myös tyhjökäsittelyllä. Menetelmä on tehokas, mutta vaatii erikoislaitteet. Alumiini on helposti hapettuva metalli. Sen taipumus happeen on niin suuri, että normaalilämpötilassakin kappaleen kylkeen tehty naarmu peittyy heti oksidikalvolla. Hapettumista voidaan välttää aloittamalla sulatus isokokoisimmilla palasilla ja lisäämällä pienemmät palaset jo syntyneeseen sulaan. Syntynyt alumiinioksidi saattaa aiheuttaa myös valuvikoja. Sitkeänä aineena se muodostaa upokkaan nokkaan putkimaisen lisäkkeen, joka murruttuaan voi joutua virtaavan metallin mukana muottiin aiheuttaen sulkeumia kappaleeseen. Koska alumiinioksidilla on lähes sama tiheys kuin itse metallillakin, saattaa sitä myös jäädä leijumaan upokkaassa metallin joukkoon ja joutua valettaessa muottiin Alumiiniseosten sulakäsittelyjä Alumiinisulissa esiintyy epäpuhtauksia, jotka haittaavat valukappaleen ominaisuuksia. Niiden syntyä ja olemassa oloa pyritään poistamaan ja/tai vähentämään. Erilaisten sulakäsittelyjen avulla pyritään alumiinivalimoissa parantamaan alumiinisulan laatua poistamalla sulaan liuenneet kaasut sekä sulassa olevat oksidit ja muut epäpuhtaudet. Lisäksi voidaan eräille laaduille vaikuttaa sulakäsittelyillä mikrorakenteeseen ja edelleen kappaleen mekaanisiin ominaisuuksiin. Alkuaineet jotka muodostava alumiiniseoksen voivat hapettua ja muodostaa oksidisulkeumia. Mikäli käytetään panoksessa runsaasti kiertoromua, voivat sulkeumien määrä lisääntyä runsaasti verrattuna puhtaaseen raaka-aineeseen. Muita sulkeumalähteitä ovat sulankäsittelylaitteet ja -astiat, uunin vuoraus ym. tulenkestävät materiaalit. Alumiiniseossulissa olevat kiinteät epäpuhtaudet vaikuttavat haitallisesti sulan juoksevuuteen ja valukappaleiden pinnalaatuun, koneistettavuuteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin erityisesti sitkeyteen. 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Alumiiniseosten sulatus - 2
Sulkeumat toimivat myös ydintymispaikkoina metalliin liuenneille kaasuille, jotka erkautuessa metallin jäähtymisvaiheessa aiheuttavat huokoisuutta valukappaleeseen. Alumiinivalun ongelmista yleisempiä ovat alumiinioksidit ja oksidifilmien syntyminen (B) ja rautarikkaiden metallien väliset yhdisteiden esiintyminen. Lisäksi valusakka ja valettuun muodostunut huokoisuus aiheuttavat valuvirheitä. Kuva. Alumiinioksidifilmi Alumiinioksidien ja filmien esiintymistä aiheuttavat sekundääristen materiaalien valmistukseen käytetyt raaka-aineet ja prosessit sulan lämpöhistoria, niin harkon kuin valimonkin sulatuksessa sulatusraaka-aineiden ja atmosfäärin kosteus sulan liikkeet sula käsittelyt valutapahtuma. kaadot, valunopeus Sulaa voidaan käsitellä erilaisilla menetelmillä, joilla tavoitellaan kuonan, muiden oksidien ja kaasun poistoa, rakenteen modifiontia ja raekoon hienonnusta. 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Alumiiniseosten sulatus - 3
Kuonan ja muiden oksidien poisto Kuonan ja muiden oksidien poistossa lisätään sulankäsittelyainetta sulaan perinteisesti sekoittamalla, injektoimalla kiinteällä lanssilla tai pyörivällä sekoituslanssilla.. Sekoitusmäärä on tyypillisesti 0,1 0,3 % sulan määrästä. Alaraja soveltuu primääriharkkovaltaiselle panokselle ja yläraja sekundääriharkko- ja kiertoromuvaltaiselle panokselle. Injektoimalla isommin yksiköin ja kattavasti voi puhtaaseen sulaan päästä ja ainakin hyviin tuloksiin jo 0,05% lisäyksin. Käsittelyaika riippuu menetelmästä ja ollen pyörivällä injektiolanssilla 3 min. ja perinteisellä sekoituksella 15 30 min. Sulaan liukenee myös vetyä, kun panoksessa tai ympäröivässä atmosfäärissä on kosteutta. yhtälön 2Al + 3H 2 O Al 2 O 3 + 6H mukaan. Vedyn liukoisuus sulaan alumiiniin on moninkertainen verrattuna jähmettyneeseen. Raekoon hienonnus Raekokoa voidaan hienontaa, kun puhdistettuun sulaan lisätään kiteytymisytimiä, jotta dendriittejä syntyy paljon ja raekoko pienenee. Tämä menetelmä sopii hiekka- ja kokillivalujen sulille. Raekoon hienontamiseen vaikuttavat pääasiassa jäähtymisnopeus(valumenetelmä, kappaleen geometria) sekä sulassa olevien heterogeenisten ytimien määrä (panosmateriaalit, sulakäsittelyt). Kuva. Sulaa otetaan kauhaan Alieutektisille seoksille sopii alumiinititaaniseos (Al-Ti), alumiinibooriseos Al-Ti-B., jota voidaan käyttää 0,0025% sulan painosta. Se on tehokas suhteessa Ti/B = 5:1. Esiseoksilla käsittelyn vaikutus on lyhyempi kuin suolaseoksilla jotka vaikuttavat 2-4 h. Näillä seoksilla saadaan sulaan kiteytymisytimiä. Modifiointi Mikäli jäähtymisnopeus on hidas, kuten hiekkavalussa, muodostuu karkeaa piieutektikumia eli pii esiintyy paksuina ja kulmikkaina levymäisinä kiteinä. Tällöin mekaaniset ominaisuudet, erityisesti sitkeys, ovat varsin heikot. Tästä syystä sula jalostetaan eli modifioidaan lisäämällä 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Alumiiniseosten sulatus - 4
yleensä natriumia ja strontiumia sisältäviä aineita eri muodoissa sulaan ennen kappaleiden valamista. Modifioinnin vaikutuksesta eutektikumissa oleva pii kiteytyy hienjakoisina kuituina. Alumiinipiiseossulan modifioinnilla saadaan estettyä eutektisen piifaasin kasvu ja rakenteesta tulee hienompi ja tasaisempi, ei ydintymisen vaan kasvumekanismin takia. Seuraavassa esimerkki muutama tapa sulakäsittelyjärjestykseksi Na avulla Kuonaus > Na Modifiointi Kuonaus > Kaasuhuuhtelu > Na Modifiointi Kuonaus > Raekoon hienonnus > Kaasuhuuhtelu > N modifiointi Strontiumilla käsiteltynä järjestys osin samankaltainen Pohjasakan muodostuminen Pohjasakan muodostuminen riippuu seoksen rauta- kromi-, ja mangaanipitoisuuksia sekä sulan lämpötilasta. Sulan lämpötilaa on valvottava erityisesti uunia täytettäessä. Sulatusta ja kuumanpitoa on vältettävä samassa uunissa. Suositeltava tapa on sulattaa keskussulatossa uuniin lämpötila 730 760 ºC :n välillä. Esikuumennettu panosmateriaali ja panostus hitaasti, auttaa usein kylmien alueiden muodostumisen estämiseksi. Pohjasakkaa ei voida liuottaa pois vaan se on kaavittava pois uunista. Pohjasakan muodostuminen upokkaan pohjalle on puhtaammista valuseoksista ja korkeammista valulämpötiloista harvinaisempaa hiekka ja kokillivaluissa. Kuitenkin voidaan todeta että mitä matalampi uunin lämpötila sitä enemmän pohjasakkaa Vedyn muodostuminen Liiallinen vetypitoisuus heikentää mm. alumiinivalujen painetiiveyttä ja mekaanisia ominaisuuksia kuten venymää, väsymis-, myötö- ja murtolujuutta. Vedyn lähteinä alumiinisulassa voi olla ilman kosteus mm. panoksessa, välineissä, uunin vuorauksessa, upokkaassa esiintyvä kosteus. 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Alumiiniseosten sulatus - 5
Alumiinisulissa esiintyvien epäpuhtauksien ja kaasujen poistomenetelmiä Kuonaus eli puhdistuskäsittely sulatuksen apuaineilla Tällaisia ovat peiteaineet jotka ovat suolaseoksia, joiden sulamislämpötilat ovat 560 720 ºC. Sula suolakerros suojaa sulan pintaa kasautumilta ehkäisten hapettumisen ja sulan pinna reagoinnin kostean uuniatmosfäärin kanssa. Mikäli käytetään harkkoja tai puhdasta romua ei peiteaineiden käyttö ole välttämätöntä. Peiteaineet lisätään uuniin jo panostusvaiheessa ja ne sulavat jo ennen panoksen sulamista. Kaasuhuuhtelumenetelmiä Sulan kaasun poistokäsittely tehdään tavallisesti johtamalla sulaan lanssin, suuttimen tms. välityksellä kaasuseoksia tai upottamalla suolapuristeita. Noustessaan pintaan kaasukuplat poistavat sulasta vetyä ja nostavat mukanaan alumiiniokisidipartikkeleita ja muita epäpuhtauksia pinnalle josta ne poistetaan kuonan mukana. Kuva. Alumiinisulan kaasuhuuhtelun soveltuva sekoitin Sulankäsittelylaitteita Sulakäsittelyssä käytetään mm seuraavia laitteita. pyöriviä inerttikaasusekoittimia, joilla mm. hyvä sekoitus, tasainen pienten kuplien jakautuma ja kaasun poisto huokoisia lanssierikoiskaasuksekoittimia jotka poistavat vetyä ja jonkin verran oksideja, mutta juoksevuus ei sanottavasti parane ja vaatii 15 min. aikaa kaasunpoistoon annostelija jossa kaasunpoisto ja flux- lisäys, (kaasua poistava aine). Tässä typpikaasu kuljettaa fluxin sulaan ja tekee kaasuhuuhtelun. Tämä mm. poistaa oksiditaikaan saa 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Alumiiniseosten sulatus - 6
helposti poistettavan kuivakuonan ja modifiointi sekä hienonnus samanaikaisesti parantaa juoksevuutta. parantaa alumiinin kuonahäviöitä Miten saat hyvälaatuisen alumiinisulan? Hyvälaatuisen alumiinivalun aikaan saamiseksi sulatuksessa ja käsittelyssä voidaan painotta seuraavia seikkoja: panosta vain tuntemiasi, kuivia raaka-aineita uuniin ja kuivaa tarvittaessa yli 200 ºC:ssa lisää raaka-aineita uuniin tasaisesti, jolloin lämpötila ja koostumusvaihtelut ovat pieniä puhdista uuni säännöllisesti ja poista puhdistusjäte uunista vältä uunin pohjasulan valamista seuraa sulan lämpötilaa ja tarkista että mittarit näyttävät oikein vältä sulan tarpeetonta seisottamista ja kuumennusta yli 100 ºC valulämpötilaa korkeammalle puhdista sula oksideista ja kaasusta sekä poista käsittelykuona ennen raekoon hienonnusta, modifiointia ja valua vältä kaatoja ja suodata sula ennen valua KERTAUSKYSYMYKSIÄ 1. Miksi erikoisesti kuparimetallien sulatuksessa on metallin ylikuumennusta vältettävä? 2. Miksi kuparimetallien sulatuksessa on metalliin liukenevia pieniäkin vetypitoisuuksia vältettävä 3. Selvitä hapettavan ja hapettoman sulatuksen periaate. 4. Miksi alumiinin sulatuksessa on teräsupokas aina peitostettava? 5. Mitkä ovat alumiinin sulatuksessa pääasiallisia metalliin liukenevia vedyn lähteitä. 6. Miten sulattaja voi välttää sulatettavan alumiinin hapettumista? 7. Miten alumiinidioksidi eroaa tiheyteensä puolesta muiden metallien oksideista? 11.11.2011 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Alumiiniseosten sulatus - 7