Esitiedot Mikä periaattellinen ero on 4% ja 8% alumiinia sisältävien sinkkiseosten välillä? Hypoeutectic = alieutektinen Hypereutectic = ylieutektinen Miten alieutektinen ja ylieutektinen rakenne muuttaa mekaanisia ominaisuuksia? Ei lukenut missään mutta jos oikein päättelee... Sinkki Sulamislämpötila 419 C Höyrystymislämpötila 907 C Hilarakenne HTP Tiheys 7.14 g/cm 3 Kimmokerroin 90-100 GPa Vetomurtolujuus 90-200 MPa Sähkönjohtavuus noin 30% IACS Ominaisvastus 5.75 10-8 Ωm 1 2 Yleistä Sinkki on neljänneksi käytetyin metalli maailmassa, kolmanneksi yleisin ei-rauta - metalli. Sinkkiä löytyy kaikkialta ympäristöstä; kivistä, maaperästä, luonnonvesistä. Sinkki on välttämätön aine eläville organismeille, koska solut tarvitsevat sinkkiä lisääntyäkseen. Vaikuttaa haju- ja makuaisteihin ja säätelee elimistön immuniteettisysteemiä, suojaa ihoa ja tehostaa aivojen toimintaa, vastaa entsyymien toiminnasta. Sinkki on kierrätettävää, ei menetä kierrätyksessä ominaisuuksiaan n. 80 % sinkistä ajautuu kierrätykseen Yleistä Fysikaalisia ominaisuuksia: Lähes teräksen luokkaa oleva tiheys Matala sulamispiste Valettavuus HTP -rakenne Vaatimattomat lujuusominaisuudet ja vain kohtalainen sitkeys Sinkki on sinertävän vaalea metalli, jolla ilman aiheuttaman hapettumisen vuoksi on matta pinta Puhtaana sinkki on pehmeää 3 4 1
Sinkin pelkistys Sinkin pelkistys Sinkki malmia esiintyy yhdessä lyijy, kupari, kulta ja hopea malmin kanssa. Malmin sinkkipitoisuus on luokkaa 3-10% ja se rikastetaan noin 55% konsentraatiksi vaahdottamalla. Konsentraatissa on epäpuhtauksina tyypillisesti 6.5% rautaa ja 32% rikkiä. Konsentraatti hehkutetaan 950 C lämpötilassa jolloin sinkki, rauta ja rikki hapettuvat. Syntyvästä SO 2 kaasusta tehdään rikkidioksidia. Rauta- ja sinkkioksidi liuotetaan laimeaan rikkihappoon josta epäpuhtaudet kiteytetään ja suodatetaan. Esimerkki ilmakuplasta ja hydrofobisista partikkeleista 6 Sinkki pelkistetään elektrolyysillä alumiini katodille (anodina käytetään lyijyä). Tuloksena on sinkkipitoisuudeltaan 99.95% sinkkiä josta valetaan aihioita tai levyjä. Puhtaan sinkin sijasta valetaan myös sinkkiseoksia (kupari, alumiini, magnesium). Sinkkimalmin suurimmat tuottajamaat ovat Kiina Australia Kanada Etelä-Afrikka 7 Sinkin käyttökohteet Suuntautuu yleensä kolmelle alalle: Käyttö pinnoitteena. Pääasiallisesti raudan ja teräksen sinkitys Kuparivaltaisten Cu-Zn -seosten eli messinkien valmistus Painevalu Sinkkiä käytetään myös Konstruktiomateriaalina Lääkkeissä, kosmetiikassa Ravinteina, lannoitteina Paristoissa Puhdas sinkki Puhdasta sinkkiä on saatavilla levyinä, harkkoina, rakeina, jauheena ja pölynä sekä sinkkioksidijauheena. Sinkkilevyjä valmistetaan kolmena puhtausasteena: 99,990%, 99,90% ja 98,0%. Epäpuhtaudet merkitys korostuu seostuskäytössä. Ylisuureet epäpuhtauspitoisuudet voivat aiheuttaa mekaanisten ja korroosio ominaisuuksien heikkenemistä. Puhtaita sinkkirakeita käytetään yleensä sähkösinkitys padoissa, sinkkijauheta ja pölyä käytetän paristoissa ja korroosiosuojamaaleissa. Sinkkioksidia käytetään maaleissa, kemiallisten prosessien pelkisaineena sekä kumin valmistuksen lisäaineena. 8 9 2
Puhdas sinkki Kuumasinkitys Puhdasta sinkkiä käytetään lähinnä pinnoitteena korroosionestotarkoituksiin (kuumasinkitys, sähkösinkitys tai ruiskusinkitys). Kuumasinkityksessä suojattava teräs kappale upotetaan sulaan sinkkiin lämpötilassa 450 C. Tässä lämpötilassa sula sinkki liukenee rautaan, mutta raudan liukeneminen tinaan on vähäistä. Syntyvässä pinnoitteessa on sinkin ja raudan eri yhdisteitä. Kokonaispinnoitepaksuudet ovat 50-115 µm ja pinnoitteen uloin kerros on puhdasta sinkkiä. Korroosiosuojavaikutus kestää sitä kauemmin, mitä paksumpi pinnoite on, koska sinkissä tapahtuu korroosiota samalla kun se suojaa rautaa. 10 11 Kuumasinkitys Sinkillä pinnoitettu teräs kestää korroosiota hyvin koska sinkki syöpyy epäjalompana metallina. Sinkin syöpyessä syntyy hyvin korroosiota kestävä sinkkikarbonaattiyhdiste joten teräksen pinnalla oleva sinkki kerros syöpyy ilmassa ja vedessä varsin hitaasti. Jos sinkin pintaan ei synnyt karbonaattiyhdistettä, voi sinkin korroosio olla hyvin nopeaa. Tällaisia ympäristöjä ovat esimerkiksi: hapot vahvat emäkset huoneen lämpötilan yläpuolella (65 C) pehmeät vedet Sähkö- ja ruiskusinkitys Sähkösinkityksellä saadaan syntymään ohut, noin 5-15 µm paksuinen kerros puhdasta sinkkiä Käytetään, kun kaunis ulkonäkö on pitkäaikaista suojauskykyä tärkeämpi Puhdas, mutta huokoinen, sinkkikerros saadaan aikaan myös ruiskusinkityksellä, jossa sulaa sinkkiä puhalletaan paineilmalla metallin pintaan. Kerrospaksuus voi olla 30-200 µm 12 13 3
Puhdas sinkki Sinkin kiderakenne heksagonaalinen tiivispakkaus ja huoneen lämpötilassa taso (0001) murtuu helposti lohkomurtumana. Sinkkiä voidaan kuumamuokata noin 100 C lämpötilassa, sillä tällöin myös muut muodonmuutosmekanismit (taso 0, 1, -1, 1) ovat käytössä. Lisäksi sinkki rekristallisoituu muokkauksen aikana tässä lämpötilassa. seostamattomasta sinkistä valmistettuja levyjä käytetään kattomateriaaleina (tosin ei kai Suomessa) Puhtaan sinkin kylmämuokkaus Puhdasta sinkkiä voidaan kylmämuokata riittävän kuumamuokkauksen jälkeen. Kuumamuokkaus poistaa valussa syntyneen kylmämuokkaukselle epäedullisen rakenteen. Kylmämuokkaus on mahdollista, sillä sinkki rekristallisoituu riittävän muokkausasteen jälkeen myös huoneen lämpötilassa. 14 15 Puhtaan sinkin kylmämuokkaus Puhtaan sinkin viruminen Puhdas sinkki viruu huoneen lämpötilassa, joten sen käyttäminen jännityksen alla ei ole käytännöllistä. Kylmämuokatun sinkin virumisnopeus on suurempi kuin muokkaamattoman. Esimerkiksi 35 MPa jännityksellä ja 50% muokkausasteella virumisnopeus on luokkaa 0.1% tunnissa. 80% muokkausasteella virumisnopeus on jo luokkaa 0.5% tunnissa. 16 17 4
Puhtaan sinkin viruminen Kylmämuokatussa rakenteessa on enemmän vakansseja kuin muokkaamattomassa. Suurempi vakanssi pitoisuus lisää virumisnopeutta. Toisaalta rekristallisaation pienentää vakanssien määrää ja näin pienentää virumisnopeutta. Virumiskestävyyden parantaminen Sinkkiseosten virumiskestävyyttä voidaan parantaa pienellä seostuksella kupari (noin 1%) titaani (0.1-0.2%) Zn-Cu-Ti -seokset Titaani muodostaa TiZn 12 -erkaumia jotka stabiloivat tehokkaasti raerajoja. 18 19 Messingit Muistutukseksi. Kuparin ja sinkin seoksesta käytettiin nimitystä messinki. Sinkkipitoisuudet olivat tyypillisesti alle 30% jolloin kiderakenne pysyy pintakeskisenä kuutiollisena (α messinki). Myös suurempia sinkkipitoisuuksia käytettiin jolloin kysymyksessä α+β messinki. Beeta messinkiä ei juuri käytetä (kiderakenne tkk) Alieutektiset seokset (Al < 5%) Primäärinen sinkkivaltainen dendriittirakenne Eutektikumi Ylieutektiset seokset Primäärinen alumiinivaltainen dendriittirakenne Eutektikumi jota ei synny suuremmilla alumiinipitoisuuksilla Valuseokset 4Al-0.03Mg 20 12Al-0.75Cu-0.02Mg 22 5
Valuseokset Valuseokset Useita luokitteluja UNS ASTM ZAMAK (Zinc-Aluminum-MAgnesium-Kupfer) ZA (Zinc-Aluminum) 23 24 Seosaineet Alieutektiset valuseokset Alumiini. Lisää valujen lujuutta ja pienentää raekokoa. Vähentää sulan sinkin ja raudan välistä reaktiota. Parantaa sulan juoksevuutta ja parantaa valettavuutta. Tyypillinen pitoisuus välillä 3.5 4.3%. Matalampi alumiinipitoisuus edelyttää korkeampaa valulämpötilaa (jolloin sula reagoi työkalujen kanssa enemmän). Myös lujuus on heikompi ja mittamuutokset mahdollisia. Sinkin ja alumiinin eutektinen rakenne on hauras, joten alumiinipitoisuus on yleensä alle 4.3% Magnesium. Pienentää epäpuhtauksien aiheuttamaa raerajakorroosiota. Liian suuret määrät pienentävät sulan juoksevuutta, aiheuttaa kuumasäröilyä, lisää kovuutta ja pienentää murtovenymää. Kupari. Pienentää epäpuhtauksien vaikutuksia magnesiumin tavoin. Nostaa lujuutta ja kovuutta. Suuri kuparipitoisuus aiheuttaa mittamuutoksien syntymistä. 25 ZAMAK 2 AC43A Zn-4Al-2.5Cu-0.04Mg Al 3.5-4.3% ja Cu 2.5-3.0% Suuri murtolujuus, virumisen kesto ja kovuus seurausta kuparipitoisuudesta Kuparipitoisuus aiheuttaa dimensioiden muuttumista (0.0014% 20 vuodessa). Huonompi iskusitkeys ja murtovenymä. ZAMAK 3 AG40A Zn-4Al-0.04Mg Al 3.5-4.3% ja Cu 0.25% max Tyypillisin keskiverto ominaisuuksiensa vuoksi ZAMAK 5 AC41A Zn-4Al-1Cu-0.05Mg Al 3.5-4.3% ja Cu 0.75-1.25% Kovempi ja lujempi kuin ZAMAK 3, mutta heikompi murtovenymä. Toiseksi paras murtovenymä ZAMAK 7 AG40B Zn-4Al-0.015Mg Al 3.5-4.3% ja Cu 0.25% max Puhtaampi versio ZAMAK 3:sta. Pienen Mg pitoisuuden takia valettavuus on parempi. Hyvän pinnantoisto. Sitkeä. 26 6
Ylieutektiset valuseokset Sinkki vs valurauta ZA-8 Zn-8Al-1Cu-0.02Mg Soveltuu kokilli ja painevaluun. Hyvä työstettävyys, kipinöimätön, viimeistelyyn sopiva pinta ZA-12 Zn-11Al-1Cu-0.025Mg Jokapaikan seos, soveltuu valuraudan, messingin ja alumiinin tilalle. Käytetään tyypillisesti hiekkavaluissa, mutta soveltuu myös grafiittimuotille ja painevaluun. Pitää painee, ei kipinöi ja helppo koneistaa. Kestää kulutusta ja pintapainetta. ZA-27 Zn-27Al-2Cu-0.015mg Korkea lujuus (235-395 MPa ja 290-445 MPa) Hiekkavalut Kipinöinti on mahdollista Sinkkiseosten koneistaminen on valurautoja helpompaa. Sinkkiseokset voidaan valaa tarkempii toleransseihin ja valun pinnanlaatu on merkittävästi parempi. Sinkki soveltuu valurautaa paremmin lyhyisiin sarjoihin ja korroosion kestoa parantavat jälkikäsittelyt ovat vähemmän tarpeellisia. 27 29 Sinkki vs alumiini Sinkki seokset ovat alumiinia kovempaa ja lujempaa. Koneistaminen on helpompaa ja tiiveys (paineen pito) on parempi. Kulumiskestäyvyys ja pintapaineenkesto on parempi. Sinkkivalut ovat alumiinia kalliimpia tilavuuteensa nähden. Kilpailukykyiseksi ne muuttuvat jos alumiinille pitää tehdä jälkikäsittelyjä. 30 31 7
Autoteollisuus Rakennusteollisuus kahvat Puhelimet ja sähkölaitteet Vaateet vetoketju Lelut ja urheilu Sinkin painevalu Muotti Muotin käyttöikää vaikuttavat Lämpötila Muotin lämpötilagradientit Lämmölle altistumisen taajuus Sinkin painevalussa muotin lämpötila on alhainen -> käyttöikä pidempi kuin alumiinilla tai magnesiumilla. Miljoona käyttökertaa ei ole harvinaisuus Materiaaliksi kelpaa muukin kuin kuumatyöteräs 32 33 Muotti Sinkkiseosten juoksevuus on hyvä, joten ne täyttävät muotin hyvin. Sinkin painevalulla päästään ohuisiin seinämiin ja tarkkoihin toleransseihin Tarvittavat päästökulmat ovat pienet Joskus myös 0 Sinkin sulattaminen Sekoittaminen. Lisää sulan hapettumista ja edistää alumiinin ja magnesiumin poistumista (rautapitoisuus pääsee nousemaan) Uudelleen sulatus. On mahdollista, mutta epäpuhtaudet voivat aiheuttaa ongelmia. Juoksute. Juoksutetta ei välttämättä tarvita, mutta kierrätettävän sinkin tapauksessa se voi olla tarpeen. Juoksutteen käyttäminen vähentää magneesium pitoisuutta. Lämpötila. Liian korkea lämpötila voi muuttaa sulan koostumusta. 34 35 8
Epäpuhtaudet Epäpuhtaudet Lyijy. Lyijyn liuokoisuus on kiinteään sinkkiin on erittäin pientä. Sinkin seassa oleva lyijy jähmettyy dendriittien raerajoille pallomaisina pisaroina. Kadmium. Esiintyy tyypilliseti jähmeänäliuoksena. Parantaa lujuutta, kovuutta ja virumisenkestoa. Nostaa rekristallisaatiolämpötilaa. Tina. Eutektinen koostumus 91% Sn lämpötilassa 198 C. Tinan liuokoisuus sinkkiin erittäin pientä. Eutektinen rakennetta esiintyy jo 0.001% tina pitoisuudella. Maksimipitoisuudet Pb, Cd ja Sn noin 0.001-0.005% seoksesta riippuen. Kaikki kolme epäpuhtautta voivat aiheuttaa paisumista, säröjä ja vetelyjä. Myös korroosiota voi esiintyä. Rauta. Pienet rautapitoisuudet (ilmeisesti alle 0.02%) ovat jähmeinä liuoksina. Suuremmilla pitoisuuksilla syntyy metallienvälistä yhdistettä (esim. sinkin tai alumiinin kanssa). Painevalujen tyypillinen maksimi rautapitoisuus on 0.075% 36 37 Muotin lämpötila Liian kylmä muotti aiheuttaa Kylmäjuoksuja, laminaatiota, sisäistä huokoisuutta, vajaata täyttymistä ja huonoa pinnan laatua Liian kuuma muotti aiheuttaa Kutistumista, purseita, kaasun poistumisesta syntyviä reikiä, ongelmia ulostyönnössä ja muotin kulumista Muotin optimilämpötila on 160-245 C (±6 C) Paksuille seinämille käytetään matalampaa lämpötilaa, ohuille korkeampaa Osaa muotista voidaan lämmittää tai jähdyttää paikallisesti 38 39 9
Painevalujen ominaisuuksia Alumiiniseostus parantaa sinkin mekaanisia ominaisuuksia. Esimerkiksi 4 % Al -lisäys murtolujuus 100 MPa ->300 MPa murtovenymä 5% -> 20% iskusitkeys 40 J -> 320 J murtokurouma 5% -> 80%? Alumiiniseostus estää raudan ja sulan välisen reaktion, joten painevalussa voidaan käyttää valurautaisia upokkaita. Kupari parantaa niin ikään lujuusominaisuuksia. Painevalu Seoksilla on hyvä juoksevuus ja niiden sulamispiste on vain 380-390 C. Hienorakeisen valukappaleen aikaansaamiseksi on valulämpötilan 390-415 C ja muotin lämpötilan pysyttävä varsin tarkoissa rajoissa. Lisäksi valukappaleita on stabilointihehkutettava (tila T2) valun jälkeen n. 100 C lämpötilassa useita tunteja mikäli halutaan tarkat mittatoleranssit. Stabiloimattomat seokset kutistuvat vähän muutamien viikkojen kuluessa. 43 44 Mikrorakenteen muodostuminen Tasapainopiirroksen erikoispiirre on alfa faasin stabiilisuus alue, joka jatkuu eutektisessa lämpötilassa sinkkipitoisuuteen 82.8% asti. Suurilla sinkkipitoisuuksilla esiintyvästä faasista käytetään nimitystä α. Mikrorakenteen muodostuminen Molemmat alfa faasit ovat kiderakenteeltaan pintakeskisiäkuutiollisia, mutta sinkkipitoisuus vaihtuu. Kun α faasi hajaantuu α ja β faasiksi eutektoidisessa reaktiossa, pienenee tilavuus 0.2%. 45 46 10
Mikrorakenteen muodostuminen Nopea jäähtyminen estää tasapainon mukaisen muutoksen Joten painevaletut kappaleet kutistuvat jonkin verran 4-5 viikon kuluessa. Mikrorakenteen muodostuminen Heti valun jälkeen painevaletun kappaleen β faasin koostumus on luokkaa 0.35% Al Beetta faasissa oleva ylimääräinen alumiini erkautuu (alumiini pitoisuus laskee noin 0.05% ja rakenteeseen syntyy α faasia) 47 48 Painevaluseosten kutistuminen Putkenkatkaisin 49 50 11
Putken katkaisin Putken katkaisin 51 Putken katkaisin 52 Putken katkaisin 54 55 12
Putken katkaisin Superplastisuus Alumiinipitoisuudella 22% (eutektoidinen koostumus) muodostuu superplastinen seos. Seos muokkautuu eutektoidisen lämpötilan alapuolella erittäin helposti, n. 200-250 C, plastinen venymä saattaa olla jopa 2500% vaadittavan voiman ollessa vain noin 10 MPa. 56 58 Muita käyttökohteita Laivan runkojen katodinen suojaus Litografiset levyt Kumin valmistus Nikkeli Sulamispiste 1455 C Hilarakenne PKK Murtolujuus n. 400 N/mm 2 Kimmomoduli 203 kn/mm 2 Tiheys 8,9 g/cm 3 59 60 13
Pelkitys Nikkeliä valmistetaan lateriitista (lateric) jota löytyy lähinnä trooppisilta alueilta ja jonka pelkistämisessä ei voida käyttää malmissa olevaa energiaa. Nikkeliä esiintyy usein yhdessä kuparimalmien kanssa ja näiden malmien pelkistyksessä voidaan käyttää jälleen kerran liekkisulatusta. Tosin jatkojalostus poikkeaa kuparista, niin että nikkeli raffinoidaan esimerkiksi kaasufaasin kautta (carbonyl process) tai liuotetaan saostetaan elektrolyytin avulla (electrowinning). Käyttö Kalleutensa vuoksi puhdasta nikkeliä käytetään melko vähän sellaisenaan vaikka mekaaniset ominaisuudet kohtalaisen hyvät (lujuus ja sitkeys). kiderakenteensa vuoksi hyvä muokattavuus kiderakenne säilyy samana sulamislämpötilaan saakka muokkauslujittuu voimakkaasti etenkin seoksina 61 62 Ruostumattoman teräksen valmistus austeniittiset teräkset Muut teräkset Ei-rautametallit Pinnoitus Muut Käyttö Mekaaniset ominaisuudet Nikkeli on pkk metalli kuten myös monet nikkeliseokset. Kuten nikkeli niin myös pkk rakenteen omaavat nikkeliseokset ovat helposti muovattavissa niin kylmänä kuin kuumana. Ne eivät ole alttiita lohkomurtumalle matalissa lämpötiloissa. Nikkeliseosten muokkauslujittuminen on voimakasta ja korkeaa sulamislämpötilaa vastaa korkea rekristallisaatiolämpötila (650-760 C). 63 64 14
Korroosio Normaalipotentiaali korkea jalous Hyvä korroosionkestävyys erityisolosuhteissa Käyttö puhtaana perustuu yleensä korroosio-ominaisuuksiin Kestää hyvin lipeäliuoksia (emäkset) ja pelkistäviä oloja Kestää hyvin korkeita lämpötiloja Syöpyy hapettavissa oloissa ja rikkipitoisissa aineissa ja ilmastossa. Esimerkiksi rikkipitoinen kaupunki-ilma syövyttää nikkeliä, mutta huoneilmassa se pysyy kirkkaana. Pienetkin nikkelipitoisuudet aiheuttavat allergioita. 65 Korroosio Kuparin seostaminen nikkeliin parantaa sen korroosionkestävyyttä myös hapettavissa oloissa. Tällainen seos on esim. Monel - metalli, jossa on 60-70 % nikkeliä, vähän alumiinia tai mangaania ja loput kuparia. Monel -metalleja voidaan erkautuskarkaista, jolloin vetomurtolujuudelle saadaan jopa arvoja 1400 N/mm 2. Esimerkiksi seokselle 67% Ni, 30% Cu, 3% Al liuoshehkutus 870 C sammutus veteen tai ilmaan keinovanhennus 590 C 8-16 h 66 Nikkelin korroosio Nikkelin korroosionkestoa pelkistävissä olosuhteissa voidaan parantaa kromiseostuksella. Pieni titaani ja alumiinilisäys tekee nikkeli-kromiseoksista erkaumakarkaistavia. Muiden seosaineiden lisääminen parantaa lujuutta edeleen Fe ->inconel, incoloy Mo -> hastelloy Sähköiset ja Magneettiset ominaisuudet Nikkeliseoksilla on erityisiä fysikaalisia ominaisuuksia, joita käytetään hyödyksi monilla aloilla. Nikromi - seoksia, joissa on 80 % nikkeliä ja 20 % kromia, voidaan käyttää vastusmateriaaleina suuren sähkövastuskykynsä vuoksi. Nikkeliseosten magneettisia ominaisuuksia hyödynnetään sähköteollisuudessa. Pehmeät magneettimetallit magnetoituvat helposti magneettikentässä. Lisäksi niiden magneettisuus poistuu kentän poistuttua Ni > 28% 67 68 15
Sähköiset ja Magneettiset ominaisuudet Monissa kestomagneeteissa (kovissa magneettimetalleissa) käytetään nikkeliseostusta. Esimerkiksi alnico-metalli 51% Fe, 25% Co, 14% Ni, 8% Al, 3% Cu erkaumalujittuva magneettiset ominaisuudet eivät heikkene huoneen lämpötilassa korkeampi käyttölämpötila Pieni sivuhuomautus: eräs kestomagneetti materiaali on ferriitti (BaO 6Fe 2 O 3 ), jolla ei siis ole mitään tekemistä α-raudan kanssa. Nikkeli ja teräs Yleisesti ottaen teräksen tai valuraudan nikkeliseostuksella pyritään lisäämään joko lujuutta ja sitkeyttä sekä alhaisissa lämpötiloissa että korkeissa lämpötiloissa tai parantamaan teräksen korroosionkestävyyttä. rakenneteräkset (0,5-5 % Ni) erikoislujat teräkset (0,5-20 %) valuraudat (Ni-pitoisuus 1-6 %) valuteräkset (0,5-20%) ruostumattomat austeniittiset kuumalujat teräkset 69 70 Invar Invar Rauta-nikkeli -seokset päästään tietyllä seossuhteella siihen, etteivät pituus tai kimmomoduli muutu lämpötilan muuttuessa. Pituuden arvo saadaan riippumattomaksi lämpötilasta, kun seoksessa on 36 % Ni. Tämä on ns. Invar -metalli. Nikkelin Curie-piste on lämpötilassa 260 C ja tähän muutoksen liittyy tilavuusmuutos joka kompensoi jäähtymisen aiheuttaman kutistumisen. Käytetään esimerkiksi mitoissa. Edelleen nikkelipitoisuutta säätelemällä voidaan vaikuttaa lämpölaajenemiseen. Esimerkiksi 58% Fe ja 42% Ni -seoksella on sama lämpölaajeneminen lasin kanssa, jolloin voidaan tehdä tiiviitä liitoksia. 71 72 16
Elinvar Elinvar Elinvar -metallissa on 34-37 % Ni, 15 % Cr ja loput Fe. Näiden kimmomoduli on lämpötilasta riippumaton. Seos sopii loistavasti fysikaalisiin instrumentteihin (esim. jousiin) joiden jäykkyysominaisuudet eivät saa muuttua lämpötilan mukana. 73 74 Nikkelin hitsaus ja koneistus Hitsaus kaikille nikkeliseoksille tavallisin hitsausmenetelmin ja kullekin seokselle ominaisin seosainein. Erityyppisiä nikkeliseoksia voidaan hitsata toisiinsa ja ruostumattomiin teräksiin. Kaikkia tavanomaisia työstömenetelmiä voidaan käyttää. Nikkeliseokset muokkauslujittuvat voimakkaasti työstettäessä, jolloin metallin lujuus ja kovuus kasvaa. Käytettävä hidasta lastuamisnopeutta ja suurta syöttöä. Kaikkia nikkelivaltaisia teräksiä voidaan koneistaa pikateräs- ja kovametalliterillä Koboltti Yleistä Tiheys 8.8 g/cm 3 Allotropia htp -> pkk lämpötilassa 417 C Sulamispiste 1493 C Käyttökohteet Maalien pigmentit Magneettiset ominaisuudet Korroosionkesto Kulumiskestävä (Stelliitti ja kovametalli) Korkeat käyttölämpötilat (superseokset) Gammasäteilylähteet 75 76 17
Stelliitti Koostumus Koboltti 40-60% Kromi 25-30% Volframi 2-15% Molybeeni Tyypillisesti alla 1% Hiili 0.25 3.3% Sekä Fe, Ni, Si Mekaaniset ominaisuudet Myötölujuus 494-649 MPa Murtolujuus 618-998 MPa Murtovenymä 1-11% Kovametallit (cemented carbides, hard metals) Matriisi Kobolttipitoisuus luokkaa 3-25% Partikkelit WC, TiC, TaC, NbC Sintraus osittain sulassa tilassa Koboltti ja karbidit muodostavat eutektikumin noin 1350 asteessa Osa karbideista ei liukene sintrauksessa. Jähmettymisen aikana karbidien koko kasvaa Väliin jää kobolttivaltainen jähmeä liuos 77 78 Esitiedot Mitä eroa on stelliitillä ja kovametallilla? Stelliitti = Kobolttiin pohjautuva seos Kovametalli = Keraami-metalli komposiitti Esitiedot Minkälaisia seoksia käytetään korkeissa lämpötiloissa? Seoksilta vaaditaan hyvää kuumalujuutta, virumiskestävyyttä ja tulenkestokykyä. Eräs esimerkki on Inconel. Sellaisia joiden sulamispiste on korkea. Yleensä runsasseosteiset tulenkestävät teräkset tai superseokset ovat hyviä. 79 80 18
Korkeanlämpötilan metallit Jako käyttötarkoituksen mukaan Tulenkestävyydellä tarkoitetaan metallin kykyä kestää hapettumista korkeissa lämpötiloissa lämpötila jopa luokkaa 1300 C rakenteen ei tarvitse kantaa kuorimia, mekaanisilla ominaisuuksilla ei yleensä väliä Kuumalujat materiaalit kestävät jännityksiä korkeissa lämpötiloissa alle 550 C lämpötiloissa hapettuminen ei yleensä aiheuta ongelmia korkeammissa lämpötiloissa myös hapettumisen kestävyys tulee huomioida 82 Hapetumminen Korkeissa lämpötiloissa metalli hapettuu ja muodostaa oksidia. Mikäli syntyvä oksidikerros suojaa hapettumiselta on metalli tulenkestävä (vertaa korroosioon). Suojavaikutukseen vaikuttaa oleellisesti oksidikerroksen rakenne huokoinen kerros -> ei suojaa hilseilevä kerros -> ei suojaa tiiviskerros -> suojaa Esimerkki raudan hapettumisesta 83 84 19
Hapettuminen Huokoinen kerros muodostuu kun syntyvän oksidin tilavuus on pienempi kuin hapettuvan metallin. Koska tilavuus on pienempi jää kerrokseen rakoja joiden kautta happi pääsee kosketuksiin metallipinnan kanssa. Jos syntyvän oksidin tilavuus on huomattavasti suurempi kuin hapettuvan metallin, syntyy puristusta minkä seurauksena oksidi lohkeaa pois. Happi pääsee kosketuksiin metallin kanssa. Hapettuminen Tiiviin kerroksen edellytys on että syntyvällä oksidilla on sama tilavuus tai hieman suurempi tilavuus kuin hapettuvalla metallilla. Jotta hapettuminen jatkuisi täytyy elektronien, hapen ja metallin kulkea syntyneen oksidikalvon läpi. Koska kalvon paksuus kasvaa, hidastuu hapettuminen aikaa myöten. hapettuminen ei siis täysin lakkaa, mutta sen eteneminen on hallittua. 85 86 Seosaineet ja tulenkestävyys Tulenkestävyyttä parannetaan lisäämällä metalliin seosaineita jotka muuttavat syntyvän oksidikerroksen ominaisuuksia tilavuus oksidikalvon sähkönvastus metallin diffuusio hidastuminen hapen diffuusion hidastuminen Tulenkestävän teräkset Kromin lisääminen teräkseen aiheuttaa Cr 2 O 3 oksidin muodostumisen teräksen pintaan. Suurempi kromipitoisuus aiheuttaa paksumman ja suojaavamman kerroksen. Tyypillinen kromipitoisuus on 25%. Kromi suojaa terästä paremmin, jos sen hiilipitoisuus on matala. Muutoin kromi muodostaa mielellään kromikarbideja ja suoja vaikutus häviää. 87 88 20
Tulenkestävät teräkset Kromin ja nikkelin lisääminen (25% Cr ja 12% Ni) saa aikaan austeniittisen rakenteen joka on ferriittistä rakennetta sitkeämpi kaikissa lämpötiloissa ja lujempi korkeissa lämpötiloissa. Austeniittisen teräksen lämpölaajeneminen on voimakkaampaa kuin ferriittisen. Lämpötilan muutokset aiheuttavat jännityksiä jotka voivat rikkoa suojaavan oksidikerroksen ja aiheuttamaan hilseilyä. Pii ja alumiini seostus parantaa edelleen ferriittisten ja austeniittisten laatujen tulenkestoa. 89 Kuumalujat metallit Metallit joiden sulamispiste on korkea sopivat kuumalujiksi teräksiksi, koska korkeaa sulamispistettä vastaa hidas virumisnopeus. Esimerkiksi rauta 1538 C nikkeli 1453 C koboltti 1495 C kromi 1875 C molybdeeni 2610 C Seosten lujuutta ja virumisenkestoa pyritään parantamaan erkaumilla, joiden ylivanheneminen tapahtuu joko hitaasti tai korkeassa lämpötilassa. 90 Teräkset Niukkahiiliset teräkset sopivat paremmin kuumalujuutta vaativiin käyttökohteisiin, sillä hiilen aikaansaama lujuus häviää korkeissa lämpötiloissa. Lujuutta saadaan lisää 0.5-1% Mo lisäyksellä (kardibierkaumat, Mo suotautuminen raerajoille). molybdeeni ei paranna hilseilyn kestävyyttä, joten usein käytetään pientä (1%) kromilisäystä Suurempaa kromipitoisuutta käytetään korroosionkeston parantamiseen. Myös martensiittiset ruostumattomat teräkset sopivat korroosion-, hilseilynkeston perusteella kuumalujiksi teräksiksi. Austeniittiset ruostumattomat teräkset Austeniittinen kiderakenne kestää virumista ferriittistä paremmin, sillä virumisille ominainen dislokaatioliike on pkk rakenteessa hankalampaa kuin tkk rakenteessa. Austeniittisissa teräksissä ei tapahdu muita mikrorakenne muutoksia kuin rakeenkasvu, joka puolestaan hidastaa virumista. Rakenteessa mahdollisesti oleva ferriitti heikentää ominaisuuksia, joten tavallisesti kuumalujiin austeniittisiin teräksiin lisätään austentiittia suosivia ylimääräisiä seosaineita (Mn, N). 91 92 21
Superseokset Tavoitteena hyvät lujuusominaisuudet, hyvä hapettumis- ja korroosionkestävyys korkeissakin lämpötiloissa. Seosaineina käytetään korkealla sulavia metalleja. Kromia käytetään myös tulenkestävyyden parantamiseksi. Rautapohjaiset superseokset ovat muunnelmia austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä. Niihin lisätään erkautumista aiheuttavia seosaineita Mo, W, Ti, Nb Timken-seos, raudan lisäksi 16% Cr 25% Ni 6% Mo 0.1%C 0.1-0.15% N 93 94 Nikkelivaltaiset superseokset Nikkelivaltaiset superseokset Tavoitteena hyvät lujuusominaisuudet, hyvä hapettumis- ja korroosionkestävyys korkeissakin lämpötiloissa. Pääasiallisena seosaineena voi olla Mo (hastelloy) Cr (inconel, incoloy, nimonic) Mo sisältävät seokset kestävät hyvin korroosiota. Esimerkiksi hastelloy B (65% Ni, 30% Mo, 5% Fe) kestää kiehuvaa suolahappoa sekä rikkihappoa. Erkaumakarkaisu liuoshehkutus 1165 C stabilointihehkutus 950 C 72h tai 1070 C 24h vanhennus 650-1090 C 95 Stabilointihehkutuksen tarkoituksena osittainen erkautuminen, koska muutoin rakenteesta tulee liian hauras. Edellä kuvatulla käsittelyllä virumiskestävyydeksi 150 MPa 100h 760 C. Seosta ei käytetä yli 760 C lämpötilassa pienen kromipitoisuuden aiheuttaman hilseilyn takia. Parempi hilseilyn kesto seoksella hastelloy C (64% Ni, 16% Cr, 16% Mo) hapettavat ja pelkistävät olosuhteet 1150 C kuorman kanto 950 C 96 22
Nikkelivaltaiset superseokset Esimerkki mikrorakenteesta Inconel-metallien peruskoostumus 80% Ni, 14% Cr, 6% Fe. Erkaumakarkenevia pienillä Ti, Nb ja Al lisäyksillä. Lämpökäsittely voidaan tehdä seuraavasti liuoshehkutus 1150 C 2-4h stabilointihehkutus 840 C 24h vanhennus 700 C 20h Inconelilla on hyvä virumisenkestävyys yhdistettynä hapettumisen kestävyyteen, joten sitä käytetään esimerkiksi suihkumoottoreissa. Hyvin lähellä inconelia olevia seoksia ovat nimonicseokset 97 Kuuma-kylmä muokkauksessa Inconel 718 syntynyt kaulakoru mikrorakenne 98 Kobolttivaltaiset superseokset Ominaisuudet kuten edellä, mutta virumiskestävyys vieläkin parempi. Koostumus esimerkiksi 42% Co 20% Cr 20% Ni 4% Fe 4% Mo 4% W 4% Nb 0.4% C Lisää superseoksia Hyvin paljon erilaisia koostumusvaihtoehtoja eri ominaisuuksien painottamiseksi Refractaloy 70 Udimet Waspalloy Mar-M seokset ThO 2 (TD Nikkelit) 99 100 23
1000 h virumismurtuman aiheuttama jännitys lämpötilan funktiona eräille dispersio- ja erkaumakarkaistuille nikkelivaltaisille superseoksille 1000 h virumismurtuman aiheuttavat jännitysalueet nikkelivaltaisille superseoksille 101 102 0,2% muodonmuutosraja eräille nikkelipohjaisille superseoksille 103 24