Jalometallit
Esitiedot Mitä kaikkia ihmisille yritetään myydä hopeana, kultana ja platinana? Matalalla sulavia metalliseoksia käytetään ainakin juotteina, mutta mitä muita sovelluksia niille on? Mitä on amalgaami? Mihin muuhun amalgaami liittyy kuin hampaiden paikkaukseen? 2
Hintatietoutta Arvometallien hintoja /g (21.11.2003) hopea 0.1525 rutenium 1.09 iridium 2.43 palladium 5.44 kulta 11.21 osmium 12.54 rodium 14.22 platina 21.20 3
Resistiivisyys 10 8 Ohm m Hopea 1.58 1.62 Kupari 1.7 1.74 Kulta 2 3 Rodium 4.5-5 Iridium 5-6 Osmium 8.1-10 Platina 10.4 10.8 Palladium 10.7 11.5 4
Hopea Teolliset käyttökohteet johtimet kytkimet kontaktipinnat juotteet peilit patterit Valukuvaus turismin vähentyminen ja digikuvaus ovat pienentäneet hopean tarvetta Korut ja pöytähopeat Kolikot ja mitallit 5
Hopean valmistus Hopeaa valmistetaan Ag 2 S malmista jonka hopeapitoisuus (0.085%) on varsin pieni. Tyypilliset epäpuhtaudet ovat lyijy (0.5%), kupari (0.5%) ja antimoni (0.3%). Vaahdotuksen jälkeen tyypilliset pitoisuudet ovat hopea (1.7%), lyijy (10-15%), kupari (10-15%) ja antimoni (6%). Noin neljäsosa hopeasta valmistetaan hopeapitoisuuden vuoksi kaivetusta malmista. Loput tulevat muiden metallien rikastuksen yhteydessä. amalgamointi (1500 ->) syanidiprosessi (1887 ->) elektrolyyttinen puhdistus 6
Hopeaseoksia Puhdashopea hopeaharkko korut sähköiset kontaktit pinnoitteet valokuvaus emulsio katalyysit Sterlinghopea 6.5 7.5 Cu pöytähopeat korut sähköiset kontaktit Coin silver 9 10.4 % Cu sähköiset kontaktit kolikot Eutektinen Ag-Cu seos 28% Cu kovajuotto juotto sähköiset kontaktit Ag-Cu-Ni 24.5 Cu ja 0.5 Ni 7
Hopean ominaisuudet Hehkutettu Kylmämuokattu Puhdas hopea Myötölujuus 45 65 MPa Murtolujuus 110 175 MPa Murtovenymä 45 65 % Puhdas hopea Myötölujuus 230 295 MPa Murtolujuus 265 330 MPa Murtovenymä 4 8 % Sterlinghopea 6.5 7.5 % Cu Myötölujuus 120 155 MPa Murtolujuus 240 300 MPa Murtovenymä 24 38 % Sterlinghopea 6.5 7.5 % Cu Myötölujuus 305-380 MPa Murtolujuus 385-475 MPa Murtovenymä 3 7 % 8
Hopean tummuminen Hopean tummuminen johtuu sen pintaan syntyvästä Ag 2 S kerroksesta. Kerros voidaan poistaa natriumbikarbonaatti pohjaisilla kiillotusaineilla. Tummumista voidaan vähentää rodium pinnoituksella. Myös germanium seostuksella saadaan aikaan parempi tummumisenkesto esim. 1.2% germaniumia korujen juottaminen helpompaa myös käytön aikainen tummuminen vähäisempää 9
Kulta Syanidiprosessi 4Au + 8NaCN + O 2 + 2H 2 O = 4Na[Au(CN) 2 ] + 4NaOH pelkistys elektrolyyttisesti tai sinkkipölyllä Kloorausprosessi korkeassa lämpötilassa kulta reagoi kloorin kanssa kultakloridiliuoksesta saadaan vetysulfidin avulla kultasulfidia, josta kulta erotetaan sulattamalla Amalgaamiprosessi kulta liuotetaan elohopeaan josta se erotetaan tislaamalla 10
Kulta Käyttökohteita rahat ja investointi korut hammasproteesit lämpösäteilyn heijastus uunit, ikkunat, satelliitit elektroniikan johtimet, liittimet sähkön ja lämmönjohtuminen, mutta erityisesti hapettumisen kesto esimerkiksi hopeaan verrattuna 11
Kultaseokset Karaatit Au % Seostus % Väri Kovuus 24 99.99 - Keltainen 20 HV 22 91.7 8.4 Ag Keltainen 30 HB 22 91.7 8.4 Cu Tumman keltainen 66 HB 18 75 25 Ag Vihreän keltainen 32 HB 18 75 12.5 Ag 12.5 Cu Keltainen 150 HV 18 75 25 Cu Tumman punainen 165 HV 14 58.5 41.5 Ag Vihreän keltainen 34 HB 14 58.5 20.5 Ag 21 Cu Keltainen 190 HV 14 58.8 41.5 Cu Punainen 83 HB 10 41.67 9 37.5 12
Pitoisuusleima Kullalle soikea Au pitoisuus promilleina Hopealle suorakaide Platinalle salmiakki 13
Kultaseokset Nimitys karaatti tulee johanneksen leipäpuun (carob) siemenestä joita käytettiin aikanaan punnitsimiseen. Kullan tyypillinen pitoisuus vaihtelee maittain Eurooppa USA 14 (10) Lähi-itä 22 Intia 22 Kaakkoisaasia 22 Kiina 24 18 ja 14 (9 Britania) 14
Valkokulta Kullasta saadaan valkoista kun siihen lisätään vaaleita metalleja. Lisäksi valkokultaiset korut pinnoitetaan hyvin usein rodiumilla paremman ulkonäön aikaan saamiseksi. Rodium käsittely kuluu aikaa myöten pois, joten koruja ei kannata juuri kiillotella. 75% Au, 14.5% Ni, 5.5% Cu ja 5% Zn (allergia) 75% Au, 17% Pd, 4% Ag ja 4% Cu (kallis) 15
Kaikki mikä kiiltää... Talmikulta (talmi gold) Cu 86.4%, Zn 12.2%, Sn 1.1%, (Fe 0.3%) Tompakki (tombac) Cu 89%, Sn 1%, Zn 1% Duplee Epäjalon metallin päälle kiinnitetään ohut kultakerros Queen's Metal Sn 75%, Bi 8%, Sb 8%, Pb 8% (hopean värinen) Uushopea 16
Metallit Platinametallit (Platina Group Metals PGM) Osuus Platina 53% Palladium 38% Rodium 5% Rutenium 3% Iridium 1% Osmium Vuotuinen käyttö noin 420 tonnia. 17
Unssit ja naulat Troy-unssi = 31,1035 g Troy-naula = 373,242 g Unssi = 28,348 g Naula = 453,592 g 18
Platinan valmistus Platinamalmien pitoisuudet ovat tyypillisesti pieniä (4-7 g / tonni). Vaahdotuksen jälkeen pitoisuus on luokkaa 100-1000 g / tonni). Konsentraatti käsitellään sähköuunissa 1500 C, jolloin ei-toivotut mineraalit poistuvat kuonaan. Rauta ja rikki poistetaan konvertterissa ilmapuhalluksella (PGM pitoisuus 1400 g/ tonni). Platina ja palladium erotetaan muista platinametalleista kuningasveteen liuottamalla ja siitä sakeuttamalla. 19
Platinametallien ominaisuudet Platina, iridium ja osmium ovat hyvin tiheitä metalleja (>21 g/cm 3 ). Platina ja palladium ovat pehmeitä, venyviä, hapettumisen kestäviä ja kuumakorroosiota kestäviä. Rodiumin ja iridiumin työstäminen on hankalaa. Ruteniumin ja osmiumin osmiumin työstäminen on todella hankalaa ja hapettumisen kesto on huono. 20
Platinametallien ominaisuudet 21
Platinametallien ominaisuudet 22
Platinan käyttökohteet Korut ja kellot 40% Katalysaattorit 37% Kemian teollisuus 5% Sähkö ja elektroniikka 5% Lasin valmistus 4% Sijoitus 1% Polttoaine 2% Muut 7% 23
Platina korut Platinakoruissa on vähintään 85% platinaa ja seosaineiden muita platinaryhmän metalleja (Pd, Rh, Ir), kuparia tai kobolttia. Platinasta valmistetut korut ovat lujia ja tummumista kestäviä (vertaa hopeaan). Platina ei hapetu eikä kovetu lämmityksen ja jäähdytyksen aikana. Lisäksi erittäin ohuet seinämät pitävät hyvin muotonsa. 24
Platinakorut Seosaineet Pt/pgm Sulamispiste Kovuus Käyttökohde pitoisuus HV 5% Cu 950 1745 120 Yleiskäyttöinen 5% Co 950 1765 135 Valut 3-5% Co, 5-10% Pd 850 950 1730 1765 125(C) 150 (C) Valut 5% Ir 950 1790 80 Yleiskäyttöinen 10% Ir 900 1800 110 Yleiskäyttöinen 15% Ir 850 1820 160 Jouset 20% Ir 800 1830 200 Jouset, ohuet johtimet 5% Pd 950 1765 60, 68(C) Valut 10% Pd 900 1755 80, 72(C) Yleiskäyttöinen 15% Pd 850 1750 90, 64(C) Ketjut 5% Rt 950 1795 130 Koneitus 5% W 950 1845 135 Jouset Kovuudet on annettu pehmeäksi hehkutetussa tilassa paitsi merkinnällä (C) olevat jotka on valutilassa. 25
Katalysaattorit Platinaa käytetään niin palokaasujen puhdistamiseen katalysaattorissa. autot teollisuuden polttolaitokset teollisuusuunit Esimerkiksi autojen kolmitoimikatalysaattorissa hiilimonoksidista syntyy hiilidioksidia, hiilivedyt hapetetaan hiilidioksidiksi tai vedyksi, typen oksidit pelkistetään typeksi. 26
Kemian teollisuus Samoin kuin savukaasujen puhdistuksessa monet kemianteollisuuden prosessit käyttävät platinan katalyyttistä vaikutusta typpihapon valmistus silokonin valmistus 27
Lasin valmistus Platina kestää hyvin korkeita lämpötiloja sekä sulan lasin korroosiota. Lasin valmistuksessa käytetään platinasta ja platinaseoksista tehtyjä upokkaita 5-30% Rh lisää lujuutta ja käyttöikää suuttimet lasikuidun valmistukseen LCD-näyttöjen lasien valmistus 28
Sensorit Termoelementit Esimerkiksi 10Rh-Pt vs Pt Vastuslämpömittari Pieni ominaissähkövastus jolla suuri lämpötila riippuvuus Paineanturit 29
Platinametallit Palladium korut sähköteollisuus katalysaattorit hammaslääketiede vedyn puhdistus 60Pd 40Ag tarkkuusvastuksien langat 95Pd 5Ru korut typpioksidin reduktio Rodium Pt/Rh-Pt termoelementti Hopean ja valkokullan pinnoitus Kestää kuuma kuningasvettä Rutenium Käytetään platinan ja palladiumin lujittamiseen. Parantaa titaanin korroosion kestävyyttä. RuO4 on helposti höyrystyvä oksidi ja hengitettynä myrkyllinen. 30
Platinametallit Iridium katalyytti, kulutustakestävä (esim. mustekynän kärki), sytytystulpat, korkeanlämpötilan upokkaat. Iridiumyhdisteet ovat myrkyllisiä. Osmiumia käytetään platinaryhmän metallien seostus, mustekynien kärjet, levysoittimen neula, katalyytti. Osmium metallisena ei ole vaarallinen, mutta kaikkia yhdisteitä on varottava. Esimerkiksi OsO 4 on erittäin myrkyllinen keuhkotukos iho vauriot silmä vauriot 31
Lyijy
Pelkitys Lyijy esiintyy maaperässä lyijysulfidina (gelana), lyijykarbonaattina (cerrusite) ja lyijysulfaatti (anglesite). Lyijy ja sinkkipitoinen malmi erotellaan vaahdotuksella. Lyijysulfidista valmistetaan ensin lyijyoksidia (polttamalla) ja edelleen lyijyä koksilla ja kalkkikivellä pelkistämällä. Malmin sisältämää rikkiä voidaan käyttää energian lähteenä. Myös liekkisulatusta ja muita menetelmiä käytetään Kaivannaisten suurimmat tuottajamaat ovat Australia Kiina USA Peru Kanada 34
Pelkitys Lyijyn valmistuksen yhteydessä saadaan epäpuhtauksina myös kuparia kultaa antimonia arseenia tinaa sinkkiä 35
Kierrätys Lyijyn vuotuisesta tuotannosta noin 50% on kierrätettyä lyijyä. Tärkein sekundäärilyijyn lähde on akut akut murskataan, eri materiaalit erotellaan, hapot neutraloidaan akkujen lyijykennot joudutaan pelkistämään Seuraavaksi tärkeimmät ovat lyijyputket ja - levyt kelpaavat suoraan sulatettavaksi ja puhdistettavaksi 36
Käyttö Akut Levyt, pursotetut tuotteet suojapellitykset, katot korroosiota kestävät putket kemiantehtaissa Luodit, haulit Metallien seostus (Maalien väriaineet) (Bensiinin lisäaineet) Muut kuvaputken lyijylasi 37
Perusominaisuudet Edut alhainen sulamispiste erinomainen korroosion kestävyys rikkihapoille sietää makeaa ja suolaista vettä hyvät äänen ja värähtelyn vaimennusominaisuudet radioaktiivisen ja röntgensäteilyn absorptiokyky helppo työstää ja valaa saatavana valuna, levynä, lankana, pinnoitukseen sopivan... Rajoitukset alhainen sulamispiste alhainen virumiskestävyys myrkyllisyys 38
Lyijy-antimoni -seokset Lyijyn lujuuden nostamiseksi siihen seostetaan antimonia, jolloin saadaan kovalyijyä. Pb-Sb tasapainopiirroksessa on eutektinen piste koostumuksella 11.2% Sb lämpötilassa 251 C. Pienellä antimoniseostuksella saadaan aikaa erkaumakarkeneva seos jolloin seoksen kovuus kasvaa arvosta 8 HB arvoon 24 HB yhdessä vuorokaudessa huoneen lämmössä. 39
Lyijy-tina -seokset Lyijy-tina -seosten suurin käyttöalue on erilaiset juotemateriaalit. Pb-Sn tasapainopiirroksessa on eutektinen piste koostumuksella 61.9% tinaa lämpötilassa 183 C. Eutektisen rakenteen lujuus (55 MPa) on korkea verrattuna puhtaan lyijyn lujuuteen (15 MPa). Seosten tyypillinen käyttökohde on juotosmateriaalit juuri alhaisen sulamispisteen vuoksi. Tosin tälläkin alueella ollaan siirtymässä lyijyttömiin juotteisiin kuten Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Ag-Cu seoksiin. 40
Tinan käyttökohteita Juotteet Tasolasin valmistus sulan tina päällä Seostus Pronssi Pewter (Sn-Pb) Sn-Sb-Cu Pinnoitteet (P)Läkkipelti (tinplate) Kupari Laakerimetalli Urkupillit 41
Matalla sulavat seokset Matalalla sulavia puhtaita metalleja ovat: lyijy (327.4), kadmium (321.1 C), vismuutti (271.4 C), tina (231.9 C) ja indium (156.6 C). Näiden metallien seoksilla esiintyy eutektisia tasapainoja, joten sopivasti yhdistelemällä päästään vieläkin alhaisempiin sulamispisteisiin. Aikaisemmin käytettiin paljon lyijyyn pohjautuvia seoksia (esim. Woodin metalli), mutta uudemmat seokset pohjautuvat useimmiten tinaan, indiumiin ja galliumiin. 42
Matalalla sulavat metallit Lämpösuojat, sprinklerit Hiottavan linssin kiinnitys matala sulamispiste ei vahingoita lasia Juotteet Lasi-metalli liitoksen tiivistys Pieni höyrynpaine -> vakuumisovellukset Ei haurastumista matalissa (nestehelium) lämpötiloissa Putken taivutus, vahamallivalut Lämpöhauteet 43
Tinaseokset Solidus Likvidus In Sn Ag Bi Sb Zn Cu Bi Au 300 227 97 3 280 20 80 240 221 95 5 240 235 95 5 238 232 97 3 235 99 1 233 65 25 10 232 100 226 221 98 2.5 221 97 3.5 217 96 3.8 0.7 189 91 9 187 181 8.8 84 7.6 187 175 20 77 2.8 186 174 4.5 87 3.5 5.5 170 138 60 40 44
Indiumseokset Matala sulamispiste, mutta korkea kiehumispiste (2080 C), kostuuttaa lasin, kvartsin ja monet muut keraamit Laskee matalalla sulavien seosten sulamispistettä (esim 1.45 astetta 1% In kohden) Lujittaa juotteita 45
Solidus Likvidus In Sn Ag Bi Sb Zn Cu Bi Au 157 100 145 118 42 58 143 97 3 138 48 58 131 118 48 52 118 52 48 109 33 67 81 30 16 54 79 26 17 57 72 66 34 60 51 17 33 46
Galliumseokset Solidus Likvidus Ga In Sn 6.5 7.6 61 25 13 10.7 10.7 63 22 16 15.7 15.7 76 25 15.7 25 95 5 29.78 29.78 100 47
Hampaan paikat Kruunut ja sillat Au-Pt-Ag-Cu-Zn useilla koostumuksilla. Kultaan pohjautuvat seoksien kovuutta nostetaan lämpökäsittelyllä (Au-Cu seoksilla esiintyy satunnainen jähmeäliuos ja järjestäytynyt jähmeäliuos) Ni-Cr ja Co-Cr seokset, ruostumaton teräs Suoraan täytettävät (direct filling) Amalgaamit Komposiittimateriaalit 48
Amalgaami Amalgaamit sisältävät 42-50% elohopeaa sekä muita seosaineita. Paljon erilaisia seoksia, mutta hopea ja tina on pääseosaineita. Amalgaameille ei löydy tasapainopiirroksia, sillä ne muodostavat monimutkaisia (metastabiileja) järjestelmiä. Koska seokset muodostuvat huoneenlämpötilassa, ne eivät ehdi tasapainotilaan. 49
Composition, wt% Alloy Ag Sn Cu Zn Low-copper Cresilver 75 24.6 0.1 0.3 Pure Lab 72 26 1 1 New True Dentalloy 72.8 26.2 2.4 1 Microalloy 69 26.6 3.5 0.9 Lustralloy 68 26 5.1 0.9 High-copper-dispersed Optalloy II 69.8 20 9.7 0.5 Dispersalloy 69.3 18.1 11.6 1 Cluster 69.8 16.2 13.5 0.5 Phasealloy 62 18.5 18.5 1 Cupralloy 63.5 16.9 19.5 0.2 High-copper-single Tytin 59.5 27.6 12.2 0 Indiloy 60 22 13 (5.0 In) Valiant 49.5 30 20 (0.5 Pd) Cupralloy ESP 41 32.5 26.5 0 Sybralloy 40 31.2 28.8 0 50
Amalgaami Hopea ja tina muodostavat metallienvälisen yhdisteen Ag 3 Sn. Jos tarjolla elohopea, muodostaa sekin metallien välisen yhdisteen. Vaihtoehtoja riittää Ag 3 Sn-Cu 3 Sn-Zn + Hg -> Ag 22 SnHg 27 + Sn 8 Hg + Ag 3 Sn-Cu 3 Sn-Zn Ag 3 Sn-Cu 3 Sn-Zn + Ag-Sn + Hg -> Ag 22 SnHg 27 + CU 6 Sn 5 + Ag 3 Sn-Cu 3 Sn- Zn + Ag-Cu Ag 3 Sn-Cu 3 Sn-Zn + Hg -> Ag 22 SnHg 27 + Cu 6 Sn 5 + Ag 3 Sn-Cu 3 Sn-Zn 51
Amalgaami Kun hopeaan sekoitetaan sulaan elohopeaan, alkaa hopean pinnalle syntyä Hg-pitoista faasia. Tinalle ilmiö tapahtuu vastaavasti. Periaatteessa reaktiota tapahtuu niin kauan kunnes tasapaino on saavutettu. Hampaan paikkauksessa käytetään seoksia jotka kovettuvat sopivan hitaasti, niin että ne hampaassa oleva reikä voidaan täyttää. Tavoitteena on tilanne missä seos kovettuu nopeasti reikään laiton jälkeen, mutta täyden kovuuden aikaansaaminen kestää pitempään. 52
Amalgaami Elohopean poistumiseen amalgaamista vaikuttavat Sekoitussuhde Sekoituksen onnistuminen Tina kestää hopeaa huonommin korroosiota. Jos tinaa liukenee metallien välisestä yhdisteestä, jää amalgaamiin metallista elohopeaa. Metallinen elohopea voi haihtua, muodostaa suolan tai orgaanisen yhdisteen. Allergia Myrkyllisyys 53
Juottaminen
Juottaminen Juotosliittämiseksi kutsutaan liittämistä, jossa vain käytettävä lisäaine (juote) sulaa liitettävien perusaineiden pysyessä jähmeinä liitos muodostuu sulan lisäaineen jähmettyessä kiinteiden pintojen välissä Käyttökohteet Metallien liittäminen Keraamien liittäminen Pehmeäjuotto T < 450 C (soldering) Lisäaine sulaa matalassa lämpötilassa Kovajuotto T > 450 C (brazing) Lisäaine sulaa korkeassa lämpötilassa Hyvä hapettumisen kesto Jalometallit (Ag, Au) sekä Cu, Zn, Ni 55
Kostutus Hyvän liitoksen muodostumiseksi olennaista on, että sula lisäaine leviää (kostuttaa) hyvin liitettävän perusaineen pinnalle ja tarttuu jähmettyessään hyvin kiinni perusaineeseen Kostutus tarkoittaa materiaalin (yleensä sula) kykyä levittäytyä materiaalin (yleensä kiinteä) pinnalle Kostutuskulma on kiinteä-sula ja sula-kaasu rajapintojen pintajännitysvektorien välinen kulma 56
Kostutus Kostutusta voidaan mitata monella tapaa Leviämistestejä Kastotestejä visuaalisella tarkastuksella Kastotestejä instrumentoinnilla Kostutuskulman mittaus 57
Kostutus Kostutukseen vaikuttavat monet asiat Perusaine Lisäaine Lämpötila Aika Pinnassa olevat epäpuhtaudet (oksidit) Atmosfääri Yleispätevää sääntöä edellä mainittujen vaikutuksesta ei voi antaa Lämpötilan nosto voi aluksi parantaa kostutusta, mutta korkeampi lämpötila lisää hapettumista ja heikentää kostutusta 58
Juottaminen Riittävän kostutuksen aikaansaamiseksi pinnat on esipuhdistettava ja lisäksi juottamisen yhteydessä on käytettävä juoksutetta juoksute liuottaa itseensä pinnan oksideja sekä epäpuhtauksia ja parantaa siten kostutusta juoksutteen tulee sulaa noin 50 C alemmassa lämpötilassa kuin juoteaineen sulan juoksutekerroksen paksuuden tulee olla sellainen, että se voi liuottaa itseensä metallin pinnalla normaalisti olevan oksidin; tähän tarvittava juotekerroksen paksuus on noin 0.01 mm 59
Juottaminen optimaalinen ilmarako juotosliitoksessa on noin 0.05 mm; korkeiden sulamislämpötilojen juotteita käytettäessä välillä 0.1-0.2 mm juoksutteet ovat yleensä lievästi pintaa syövyttäviä, joten ylimääräinen juoksute on poistettava liitoksesta yleisimmät kovajuotteiden juoksutteiden aineosat ovat booraksi (Na 2 B 4 O 7 ), boorihappo (H 3 BO 3 ) ja booritrioksidi (B 2 O 3 ) yhdessä sinkin, litiumin, kaliumin ja fluorin eri yhdisteiden kanssa 60
Juottaminen Juottamisen vaiheet Lämpötilan nostaminen sulattaa juoksutteen, kostuttaa pinnat ja liuottaa epäpuhtaudet (oksidit) Lisäaine sulaa korkeammassa lämpötilassa, alkaa kostuttaa liitettäviä kappaleita ja syrjäyttää juoksutteen Lopullisessa lämpötilassa (työlämpötila) sula kostuttaa liitettävän kappaleen pinnalle ja rakoihin kapilaarivoiman avulla Lämpötilan lasku jähmettää lisäaineen Ja vielä matalammassa lämpötilassa käytetty juoksute (dross) jähmettyy 61
Juottaminen Juotteen ja perusaineen välille syntyy usein jähmeä liuos Perusainetta liukenee sulaa ja/tai sulaa liukenee perusaineeseen Juotteen kostutuskykyä lisää juotteen ja kappaleen välinen kemiallinen reaktio Esimerkiksi teräkselle metallien välisen yhdisteen muodostuminen: Fe + 2Sn -> FeSn 2 Esimerkiksi piinitridille lisätään Cu-Ag juotteeseen titaania: 4Ti + Si 3 N 4 -> 4TiN + 3Si Turhien reaktiotuotteiden muodostumista pyritään välttämään, sillä yhtenäinen reaktiotuotekerros pienentää kostutusta heikentää mekaanisia ominaisuuksia (erityisesti hauraan metallienvälisen yhdisteen muodostuminen) 62
Juottaminen Suojakaasulla voidaan parantaa kostutusta Atmosfääri vaikuttaa pääasiassa sula-kaasu - pintajännitykseen Vähentää hapettumista Lähinnä uunijuotossa Pelkistävä atmosfääri Vety, hiilimonoksidi Neutraali atmosfääri Vakuumi, argon, typpi 64
Kovat juotteet Alunperin jalojen metallien (Cu, Ag, Au) liittämiseen Nykyään myös alumiinille, ruostumattomalle teräkselle, superseoksille 65
Kovat juotteet Fosforikuparijuotteet Sisältävät kuparia, fosforia (5-8 %) sekä mahdollisesti hopeaa juotteen sitkeyden parantamiseksi Kuparin juottamisessa ei tarvita juoksutetta, mutta esimerkiksi messingin juottamisessa juoksute on tarpeen Eivät sovellu teräksen tai nikkelin juottamiseen syntyvän ohuen, mutta hauraan fosfidikerroksen vuoksi Eivät sovi myöskään kupari-nikkeli seoksille jos nikkelipitoisuus on 20% tai enemmän Työlämpötila noin 710 C; juotto merkitsee kylmämuokatun kuparin rekristalloitumista 66
Kovat juotteet Hopeajuotteet Messinkijuotteita (CuZn), joihin on lisätty hopeaa (12-40%) ja kadmiumia (7-22%) sulamis- ja työlämpötilojen alentamiseksi kadmiumpitoisuus edellyttää juotossa syntyvien huurujen tehokasta poistamista työalueelta myös kadmiumvapaita hopeajuotteita on kehitetty; kadmium korvataan lähinnä mangaanilla ja nikkelillä hopeajuotteet soveltuvat useimpien metallien juotosliittämiseen työlämpötila vaihtelee juoteaineesta riippuen välillä 610-800 C 67
Kovat juotteet Messinkijuotteet Puhtaissa messinkijuotteissa kuparipitoisuus on yleensä välillä 57-65% Korkea likviduslämpötila (luokkaa 900 C) on lähellä puhtaan sinkin kiehumispistettä (907 C) sinkin höyrystymistä juottamisen yhteydessä voidaan vähentää piillä; pitoisuus on kuitenkin pidettävä pienenä, alle 0.3 % uushopeajuotteissa piiseosteiseen messinkijuotteeseen lisätään noin 10 % Ni käytetään erityisesti terästuotteiden massatuotannossa (huonekalut, polkupyörän rungot jne) 68
Kovat juotteet Alumiinijuotteet yleensä Al-Si-seoksia, joissa piipitoisuus välillä 2-12 % korkeahko työlämpötila (luokkaa 550 ºC) vaikeuttaa alumiiniosien kovajuottamista alumiinin juotosliittäminen edellyttää juoksutteiden käyttöä alumiinia syövyttäviä; poistettava huolellisesti juotoksen jälkeen pintojen huolellinen puhdistus tärkeää ennen juottamista Cu- ja Zn- pitoisia alumiiniseoksia ei yleensä voida kovajuottaa; lisäksi Mg- pitoisissa (yli 2%) alumiiniseoksissa juote ei kostuta alumiinia Nikkelijuotteet Ruostumattomalle teräkselle, korroosion kesto, lujuus korkeissa lämpötiloissa. Perusaineen ja juotteen välille voi syntyä hauras rajapinta 69
Kovat juotteet Ilmailu- ja avaruusteollisuus Korkea käyttölämpötila Hyvä korroosion kesto Nikkeli-, koboltti- ja kultaseokset 70
Kuparin kovajuotto Kuparin ja sen seosten juotettavuus on hyvä. Ongelmallisia voivat olla Lyijypitoiset seokset (kuonan muodostus) Tinapitoiset seokset (jäännösjännitysten aiheuttamat murtumat) Happipitoinen kupari (Cu-ETP) Vetyhauraus riski Messinkit (Zn < 20%) Hyvä juotettavuus Messinkit (Zn 25 40%) Liian korkea lämpötila voi aiheuttaa sinkinkatoa 71
Kuparin kovajuotto Lyijyä sisältävät messingit Juoksutetta tarvitaan lyijyn aiheuttaman kuonan poistoon Kuumahalkeilun riski jos jäännösjännityksiä Juotettavuus heikkenee lyijypitoisuuden kasvaessa Tasainen kuumennus ja hidas jähdytys Tinaa sisältävät messingit Yleensä hyvin juotettavia Alumiini sisältävät messingit Kostutus hankalampaa, tehokkaammat juoksutteet 72
Kuparin kovajuotto Pronssit Yleisesti ottaen hankalempia kuin messingit Kuumahauraus mahdollista jos jäännösjännityksiä, hidas kuumennus ja jäähdytys Voimakkaammat juoksutteet 73
Kovajuotteiden vauriot Väärät/huonot juotteet, juoksutteet tai atmosfääri. Likaiset pinnat Liian korkea juotoslämpötila Perus- ja lisäaine välinen reaktio lisääntyy seoksen muuttuminen juotteen tunkeutuminen raerajoille Liian matala lämpötila Sulan metallin huonompi juoksevuus Heikompi kostutus Epätasainen tai hidas lämpiäminen Juote sulaa vain osittain 74
Kovajuotteiden vauriot Karbidien erkautuminen ruostumattomassa teräksessä Kromi ja hiili. Vertaa herkistymiseen Rajapinnan korroosio Potentiaaliero perus- ja lisäaineen välillä Jännityskorroosio Kylmämuokattu ruostumaton teräs, nikkeli tai kupari-nikkeli ja juotteessa sinkkiä 16% tai enemmän Osittainen liukeneminen Sinkki messingissä, nikkeli kupari-nikkeliseoksessa Juotteen koostumus (suuri sinkkipitoisuus) Suuri O 2 tai CO 2 pitoisuus sinkkiä altistavassa vedessä 75
Kovajuotteiden vauriot Metallienväliset yhdisteet Tyyppiin ja määrään vaikuttavat aika, lämpötila ja koostumus. Yleensä hauraita. Fosforin aiheuttama hauraus CuP lisäaine ja rauta tai nikkelipohjainen perusaine Hauraan fosfidin syntyminen 76
Viimeinen luento Suprajohteet Muistimetallit Kertaus 77