Tina-vismutti seos juotosmetallina Miikka Martikainen Juottaminen Juottaminen on metallien liitosmenetelmä, jossa kappaleet liitetään toisiinsa sulattamalla niiden väliin juotosainetta, eli juotetta. Juotteena käytettävän aineen (yleensä metalli tai metalliseos) sulamispiste on alhaisempi kuin liitettävien materiaalien. Juottaminen eroaakin hitsaamisesta siten, että toisiinsa liitettävät aineet pysyvät kiinteässä olomuodossa. Juottamista käytetään yleisesti elektroniikan valmistuksessa ja putkistojen liitoksissa. Elektroniikan komponenteissa eri pinnat liitetään juotosliitoksella fyysisesti ja sähköisesti toisiinsa. Putkistojen tapauksessa juottamisella pinnat saadaan liitettyä toisiinsa vesitiiviisti yhteen. Juotosmateriaalin koostumuksen valinta Juotosmateriaalin ehdotetut koostumukset ovat 70 Sn/30 Bi, 43 Sn/57 Bi ja 20 Sn/80 Bi. Kuten kuvasta 3 nähdään, vismutin lisääminen tinaan laskee seoksen sulamispistettä aina lähes 60m-%:n asti. Lisäksi vismutin osuuden kasvulla on liuoslujittava vaikutus, mikä lisää lujuutta, mutta pienentää sitkeyttä. Yli 47% vismuttia sisältävät seokset myös laajenevat jäähtyessään, mikä voi olla sovelluksesta riippuen hyvä tai huono ominaisuus. 138 C:n Kuvassa 5 on esitetty faasitasapainotilanne 138 C:n lämpötilassa. 138 C:ssa ollaan juuri seoksen sulamispisteen alapuolella eli seoksessa on samanaikaisesti kahta kiinteää faasia. Toinen faaseista on puhdasta vismuttia ja toinen tinan ja vismutin seos, jossa tina on selvästi hallitseva komponentti. Elektroniikkajuottamisessa ei-eutektisen juotteen käyttäminen saattaa johtaa liitoksen heikkoon sähkönjohtokykyyn, jos vielä osittain nestemäisessä tilassa olevaa juote ei saa jäähtyä häiriintymättä. Ongelma voidaan välttää käyttämällä eutektisen koostumuksen omaavaa juotetta, jolloin jähmettyminen tapahtuu nopeasti yhdessä lämpötilassa. Putkien liitoksissa puolestaan suositaan osittaisen nestefaasin kautta jähmettyviä juotemateriaaleja, sillä niitä on helppo muovata jäähtymisen aikana vesitiiviyden varmistamiseksi. Kuva 1. Elektroniikkajuottamista käytännössä. Hyvän juotteen ominaisuudet Juotemateriaalin tärkeimpiä ominaisuuksia ovat: Alhainen sulamispiste Hyvä sähkönjohtavuus Hyvä lämmönjohtavuus Hyvä korroosionkesto Alhainen sulamispiste on erityisen tärkeä ominaisuus silloin, kun liitettävien materiaalien sulamista ei sallita tapahtuvan. Tämä on usein tilanne elektroniikan valmistuksessa. Myös sähkönjohtavuus on ratkaisevaa elektroniikan sovelluksien kannalta. Putkistojen kestävyyden kannalta hyvä korroosionkesto on puolestaan ensiarvoista. Eutektisen koostumuksen valinnalla materiaalille saadaan alhaisin mahdollinen sulamispiste sekä varmistetaan helposti kontrolloitava jäähtyminen. Lisäksi komponenttien sekoitussuhteen ollessa lähes 1:1, saadaan materiaalille myös parhaimmat lujuusominaisuudet. Paras valinta juotosmateriaalin koostumukseksi on siis eutektinen 43 Sn/57 Bi. Faasiosuuksien määrittäminen Sopivin koostumus juotosmateriaaliksi on siis 43 SN/57 Bi. Seuraavaksi määritetään kyseiselle koostumukselle eri faasien osuudet sekä näiden faasien koostumukset 200 C:n, 138 C:n ja 25 C:n lämpötiloissa. Seoksen ollessa tilassa, jossa se sisältää vain yhtä faasia, on kyseisen faasin koostumus sama kuin seoksen kokonaiskoostumus. Kuvasta 4 nähdään, että 200 C:n lämpötilassa kyseisen kokonaiskoostumuksen omaava tina-vismutti metalliseos koostuu täysin yhdestä nestemäisestä faasista. Nestefaasin osuus on siis 100% ja koostumus on sama kuin koko seoksen koostumus, 43 Sn/57 Bi. Kuva 5. Seoksen koostumus 138 C:nn lämöötilassa. Diagrammista voidaan lukea pääosin tinasta koostuvan β-faasin koostumukseksi 80 Sn/20 Bi. Seoksen toinen faasi on puhdasta (100%) vismuttia. Faasien osuudet saadaan edellä esitellyn periaatteen mukaan seuraavasti: W β W Bi S S + R C Bi -C 0 R R + S C 0 C Sn 100 57 100 20 57 20 100 20 0,5375 54% 0,4625 46% Seoksessa on siis 138 C:n lämpötilassa 54% 80 Sn/20 Bi koostumuksen β- faasia ja 46% puhdasta vismuttia 25 C:n 25 C:n lämpötilassa ollaan jo merkittävästi sulamispistettä alemmassa lämpötilassa (Kuva 6.). Faasien koostumukset ja osuudet saadaan kuitenkin täysin samalla periaatteella kuvassa 6 esitetyn faasidiagrammin avulla. Kuvasta 6 voidaan lukea Β-faasin koostumukseksi 97 Sn/3 Bi. Toinen faasi on edelleen puhdasta (100%) vismuttia. Faasien osuuksiksi saadaan nyt: W β S S + R C Bi C 0 100 57 100 3 0,4433 44% Kuva 2. Tina-lyijy -juotemateriaalia. Kuva 4. Seoksen koostumus 200 C:nn lämöötilassa. W Bi R R + S C 0 C Sn 57 3 100 3 0,5567 56% Eutektinen jähmettyminen 25 C:n lämpötilassa seoksessa on siis 44% 97 Sn/3 Bi koostumuksen β- faasia sekä 56% puhdasta vismuttia. Eutektisella jähmettymisellä tarkoitetaan sellaista jähmettymistä, jossa sula metalliseos jähmettyy kiinteäksi yhdessä tietyssä lämpötilassa. Tällöin ei siis synny tilannetta, jossa metalliseoksessa olisi samanaikaisesti sekä kiinteää, että nestemäistä faasia. Kuvassa 3 on esitetty tina-vismutti faasidiagrammi. Kuvassa β+l - sekä Bi+L -alueilla seoksessa on samanaikaisesti joko kiinteää tinan ja vismutin seosta tai vismuttia, sekä nestemäistä faasia. Täysin nestemäisen seoksen koostumus muuttuu jäähdytettäessä lähes aina siten, että joudutaan kulkemaan näiden sekä kiinteää, että nestemäistä faasia sisältävien alueiden läpi. Ainoan poikkeuksen muodostaa eutektinen koostumus, jolla jähmettyminen tapahtuu suoraan kiinteäksi yhdessä lämpötilassa. Tina-vismutti seoksen eutektinen koostumus on 43m-% Sn 57m-% Bi ja sulamislämpötila 139 C, mikä voidaan havaita myös kuvasta 3. Tällä koostumuksella nestemäinen seos jäähtyy siis eutektisesti kahta eri kiinteää faasia sisältäväksi seokseksi 139 C lämpötilassa. Eutektinen jähmettyminen voidaan kuvata reaktiolla L α + β, jossa nestefaasi jähmettyy samanaikaisesti kahdeksi eri Lämpötilan laskiessa seos muuttuu ennen pitkää täysin kiinteäksi. 138 C:n ja 25 C:n lämpötiloissa seos on kiinteässä olomuodossa ja sisältää kahta eri faasia. Faasien koostumukset sekä osuudet voidaan määrittää faasidiagrammista seuraavasti: 1. Piirretään seoksen kokonaiskoostumuksen ja kyseisen lämpötilan määrittämästä pisteestä vaakasuorat viivat. Näiden viivojen sekä Sn (β)- ja Bi-faasialueiden leikkauskohdista piirretään pystysuorat viivat alaspäin. Kyseisten faasien koostumukset voidaan lukea pystysuorien viivojen ja vaaka-akselin leikkauskohdista. 2. Faasien suhteelliset osuudet voidaan laskea piirrettyjen vaakasuorien suorien pituuksien avulla. Kyseisen faasin suhteellinen osuus saadaan toisen faasin faasialueeseen piirtyvän suoran ja molempien suorien pituuksien summan suhteena. kiinteäksi faasiksi. Kuva 6. Seoksen koostumus 25 C:nn lämöötilassa. [1] William D. Callister, Jr. & David G. Rethwisch, Materials science and engineering, 8th edition, Hoboken & NJ : Wiley cop. 2011, S. 211-215 & 94-95, ISBN: 978-0-470-50586-1 [2] Brady, George; et al. (1996). Materials Handbook. McGraw Hill. pp. 768 70. ISBN 0-07-007084-9 Kuva 3. Tina-vismutti metalliseoksen faasidiagrammi [3] CES EduPack, Student Learning Package: Teach Yourself Phase diagrams and Phase Transformations.
Metalliseoksen jähmettyminen tasapainonmukaisella mekanismilla Tekijä: Sami Kallio Yhteystiedot: 476870 Aineen jähmettyminen Sulassa metallissa atomit voivat liikkua toistensa ohi. Jähmettyessään metallin atomit järjestäytyvät hilarakenteeksi ja kiinnittyvät paikoilleen. Jähmettyminen johtuu aineen pyrkimyksestä kohti energia minimiä. Jähmettymistapahtumaan vaikuttaa aineen kiinteän olomuodon kiderakenne, mikä on aineriippuvainen ominaisuus. Jähmettyminen alkaa ydinten muodostumisella. Pisteessä E seoksen lämpötila on alle solidus-lämpötilan ja seos on kiinteässä olomuodossa. Tarkasteltu prosessi on tasapainon mukainen, joten koko seoksen nikkelipitoisuus vakio. Tarkastellaan Nikkeli-kupari systeemiä. W. Hume ja Rothery sääntöjen mukaan metallien keskinäinen liukoisuus riippuu neljästä tekijästä: 1. Molemmilla aineilla on puhtaana metallina sama kiderakenne (pkk). 2. Metalleiden elektronegatiivisuus arvot ovat lähellä toisiaan (Ni1,9 ja Cu1,8). 3. Atomisäteet ovat lähellä toisiaan max 15% ero (Ni0,125nm ja Cu0,128nm). 4. Neljäs tarkasteltava tekijä on valenssi, mutta se ei ole tässä tarpeen sillä aineet sekoittuvat edellisten kohtien perusteella täysin kaikilla seostussuhteilla. Puhtaat aineet jähmettyvät yhdessä lämpötilassa, joka on aineelle ominainen sulamislämpötila. Jähmettymisessä vapautuu tällöin sulamislämmön verran energiaa. Seokset puolestaan jähmettyvät tietyllä lämpötila välillä (solidus-likvidus). Solidus- ja likviduslämpötilat riippuvat seoksen koostumuksesta. Solidus lämpötilan alla seos on kiinteässä olomuodossa. Likvidus lämpötilaa suuremmissa lämpötiloissa seos on täysin sula. Näiden kahden lämpötilan välissä on puuroalue, jossa seos ei ole stabiili kiinteänä eikä nesteenä (kuva 1). seoksen komponenteista osa on tällöin kiinteässä olomuodossa ja osa sulassa olomuodossa. Kuva 4. Konstantaanista valmistettuja vastuksia. Konstantaani on metalliseos, joka sisältää noin 55 % kuparia ja 45 % nikkeliä.[3] Faasit ja pitoisuudet Tarkastellaan pistettä C (kuva 5). Tarkastelupiste sijaitsee puuroalueella, joten seos sisältää sekä kiinteän, että sulan faasin partikkeleita. Määritetään näiden faasien pitoisuudet tarkastelupisteessä käyttämällä hyväksi vipuvarsi tarkastelua. Katsotaan arvot kuvasta 5 ja käytetään kuvan 6 kaavaa pitoisuuksien laskemiseen. S43-35, R35-32, R+S43-32 Kuva 2. Ni-Cu-seoksen tasapainonmukainen jähmettyminen. [1] W L S:(R+S)8/1173 (p.%) W α R:(R+S)3/1127 (p.%) Nopean jäähtymisen tapauksessa pisteessä E oleva kiinteä aine ei ole koostumukseltaan homogeeninen. Nopean jäähtymisen seurauksena pisteessä B ydintyvät kiteet sisältävät suuremman painoprosentin nikkeliä, kuin pisteessä C ja D ydintyvät hiukkaset. Jäähtyminen on nopeaa, joten diffuusio ei tarpeeksi nopeasti tasoita pitoisuus eroja. Seurauksena kiinteän aineen epähomogeenisuus (kuva 3). Pisteessä C seoksesta on siis 73p.% sulassa olomuodossa ja 23 p.% kiinteässä olomuodossa. Kuva 1. Tasapainopiirros Ni-Cu. L+α kuvaa puuroaluetta. [1] 6 Tasapainon mukainen jähmettyminen Tasapainon mukainen jähmettyminen tarkoittaa jähmettymistä, jossa aineensiirron hitautta ja siitä aiheutuvaa poikkeamaa tasapainotilasta ei huomioida. Todellisuudessa ydintymisen seurauksena syntyneet kiteet eivät ole seostukseltaan samanlaisia, vaan sulan alkaessa puuroutua ensimmäiset kiteet sisältävät suuremman painoprosentin nikkeliä, kuin viimeisenä ennen solidus-lämpötilaa ydintyvät kiteet. Tasapainonmukainen jähmettyminen tarkoittaa prosessia, jossa jähmettymisen seurauksena koostumus on lopuksi sama kaikkialla kiinteässä aineessa. Todellisuudessa koostumuserot tasaantuvat diffuusion kautta, mutta jäähtyminen voidaan olettaa tasapainon mukaiseksi, mikäli se tapahtuu äärimmäisen hitaasti. Tasapainonmukainen jähmettyminen Ni-Cuseokselle Tarkastellaan kuvan 2 jähmettymisprosessia A->E Pisteessa A nikkeli-kupari-seos on likvidus-lämpötilaa korkeammassa lämpötilassa ja siten täysin sulassa olomuodossa. Pisteessä B seoksen lämpötila on alittanut likvidus-lämpötilan ja on siten puuroalueella. Seos ei ole puuroalueella stabiili kiinteässä, eikä sulassa olomuodossa. Samoin pisteet C ja D ovat tällä alueella. Pisteessä B seokseen alkaa ydintyä kiteitä. Kiinteiden partikkeleiden suhde sulaan on tässä vaiheessa hyvin pieni. Tässä vaiheessa muodostuvien kiteiden nikkelipitoisuus on suurimmillaan. Pisteessä C on pisteeseen B nähden ydintynyt enemmän kiteitä ja tarkat osuudet voidaan määrittää vipuvarsi tarkastelulla (ks. kohta Faasien koostumukset ja pitoisuudet). Syntyvien kiteiden nikkelipitoisuus on pienempi, kuin pisteessä B muodostuneiden kiteiden nikkelipitoisuus. Oletetaan kuitenkin jäähtymisen olevan tasapainon mukaista, joten prosessi on hidas ja pitoisuus erot tasaantuvat diffuusion vaikutuksesta. Pisteessä D seoksen lämpötila on laskenut lähes solidus-lämpötilaan ja suurin osa seoksesta on kiinteässä olomuodossa. Viimeisenä muodostuvat kiteet omaavat aluksi pienimmän nikkelipitoisuuden ja niiden pitoisuus kasvaa diffuusion seurauksena siten, että pisteessä E kiinteä seos on homogeeninen. Kuva 3. Ni-Cu-seoksen nopea jähmettyminen. [1] Tasapainopiirrokset Tarkastelun mukaisesta binäärisestä tasapainopiirroksesta voidaan siis nähdä seuraavat asiat: Kun tiedetään lämpötila ja konsentraatio, tiedetään materiaalissa olevien faasin lukumäärä ja olomuoto. Tällöin tiedetään myös kunkin faasin koostumus (faasien osuudet voidaan määrittää vipuvarsitarkastelulla). Tasapaino piirroksesta ei voida suoraan päätellä seoksen mekaanisia ominaisuuksia, vaan mekaaniset ominaisuudet nähdään kuvan 7 mukaisesta kuvaajasta. Kuva 7. Seoksen mekaaniset ominaisuudet. [2] Kuva 5. Ni-Cu-seoksen puuroalueen tarkastelu. [1] Kuva 6. Vipuvarsitarkastelu. [1] [1] Callister, W.D. & Rethwisch, D.G., Materials Science and Engineering [2] http://www.ims.tut.fi [3] http://fi.yezhanshuntresistor.com [4] CES Edupack
Alieutektoidisen teräksen normalisointi Jaakko Korsulainen 477086 jaakko.korsulainen@aalto.fi Johdanto Tässä posterissa käsitellään alieutektoidista, eutektoidista, ylieutektoidista terästä, muutoksia niiden välillä sekä alieutektoidisen teräksen normalisointia. Nämä muutokset tapahtuvat alla olevassa teräshiili -faasidiagrammista punaisella rajatussa osassa. Tässä tärkeä käsiteltävä lämpötila on 723 C, jonka alapuolelle sijoittuvat käsiteltävät alieutektoidinen, eutektoidinen ja ylieutektoidinen teräs (eng. hypoeutectoid, eutectoid, hypereutectoid steel) Tässä tilanteessa 0,76 m.% on tärkeä hiilipitoisuus teräkselle, koska sen kohdalla sijaitsee eutektoidinen teräs. Tämä pitoisuus toimii samalla alieutektoidisen ja ylieutektoidisen teräken rajana. Alieutektoidinen teräs Kuvio 1. Teräs-hiili -faasidiagrammi Rauta-hiili faasidiagrammista käy ilmi että rauta ja hiili muodostavat eri lämpötiloissa ja eri hiilipitoisuuksilla erilaisia allotrooppisia muotoja. Kuvion 1 symbolien merkitys: α tarkoittaa ferriittiä γ tarkoittaa austeniittia Fe 3 C tatkoittaa sementiittiä Alla on toinen faasidiagrammi, jossa esitellään Kuvion 1 rajattu alue tarkemmin. ferriitin seos jäähtyy hitaasti tämän kriittisen lämpötilan alapuolelle. Hiilipitoisuuden täytyy kuitenkin olla alle 0,76 m.%. Alieutektoidisen teräksen mikrorakenne koostuu perliittikiteistä, joiden väleissä on ferriittiä. Kuvio 3. Alieutektoidisen ja ylieutektoidisen teräksen muodostuminen Alieutektoidisen teräksen muodostumisessa on kolme vaihetta, kuten kuviosta 3 voi nähdä. Alieutektoidisen teräksen muodostumisketju on kuivossa 3 vasemmalla puolella. Ylimmässä ympyrässä on kiteistä austentiittia. Austentiitin jäähtyessä sen raerajoille muodostuu esiautektoidista ferrittiä. Eutektoidisessa lämpötilassa (723 C) austeniitti hajaantuu perliitiksi. Lopputuloksena on siis perliittikiteitä, joiden raerajoilla on ferriittiä. Vastaavasti ylieutektoidisessa teräksessä muodostuu perliittikiteitä, joiden raerajoilla on sementiittiä. Kuvio 4. Alieutektoidisen teräksen mikrorakenne Alieutektoidisen teräksen normalisointi Alieutektoidisen teräksen normalisointi tarkoittaa sitä, teräs kuumennetaan austeniitin muodostumislämpötilan (A 3 ) yläpuolelle. Terästä pidetään tässä lämpötilassa austeniitin muodostumiseen ja homogenisoitumiseen tarvittava aika, jonka jälkeen teräs jäähdytetään ilmassa huoneen lämpötilaan. Normallisoinnin tarkoitus on saada teräkselle yhtenäinen hienorakeinen rakenne. Se on tarpeen esimerkiksi valuterästuotteille karkean valurakenteen poistamiseksi. Sitä käytetään myös taotuille kappaleille epähomogeenisuuden ja hitsatuille tai polttoleikatuille tuotteille epätasaisen kuumenemisen aiheuttamien ilmiöiden (mm. rakeenkasvu) eliminoimiseksi. Normalisoinnin edut Taonnan, kuumavalssauksen, valamisen, hitsauksen tai polttoleikkausen jälkeen teräksen mikrorakenne on usein epäyhtenäinen ja muodostuu suurista rakeista sekä ei-toivotuista rakenteellisista komponenteista kuten bainiitista ja karbideista. Tällaiset mikrorakenteet muodostuvat kun terästä kuumennetaan ja muokataan epätasaisesti, kun siitä halutaan muodostaa tarvittavan muotoinen tuote. Näillä mikrorakenteilla on kuitenkin negatiivinen vaikutus teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin samoin kuin konetyöstettävyyteen. Normalisoinnin avulla teräs voi saavuttaa hienorakeisemman ja yhtenäisemmän rakenteen, jonka ominaisuudet ja työstettävyys ovat korkeammat ja paremmin ennakoitavissa. Normalisoinnin vaiheet Vaihe3: Teräksen lämpötilaa kohotetaan edelleen. Nyt se kohotetaan austeniittialueelle (A 3 kuviossa 5) n. 800 920 C. Tällä alueella terästä pidetään niin kauan, kunnes kaikki ferriitti on muuttunut austeniitiksi. Tällöin teräksen mikrorakenne koostuu pelkistä austeniittikiteistä. Tämän jälkeen teräksen annetaan jäähtyä itsekseen ilmassa hitaasti. Vaihe4: Teräs jäähtyy takaisin austeniitti-ferriitti alueelle (A 1 kuviossa 5). Tällä alueella austeniitin raerajoille alkaa muodostumaan ferriittikiteitä. Näitä muodostuu niin kauan kunnes ferriitti ja austeniitti ovat saavuttaneet tasapainon. Tässä vaiheessa austeniitin ja ferriitin raekoko on merkittävästi vaihetta 1 pienempi. Teräksen jäähtyminen jatkuu. Vaihe5: Teräs jäähtyy takaisin eutektoidisen lämpötilan alapuolelle. Tällöin austeniittikiteen muuttuvat perliitiksi. Tämän jälkeen teräksen mikrorakenne on samanlainen kuin vaiheessa 1, mutta raekoko on pienempi ja tasaisempi. Teräs on normalisoitu, eli sen mikrorakenne on kauttaaltaan homogeeninen ja raekoko paljon pienempi kuin ennen normalisointia. 0,4 p.% teräs 0,4p.% teräksellä on 25 C lämpötilassa kaksi faasia. Ne ovat perliitti ja ferriitti. Teräs on siis alieutektoidisessa tilassa. Teräksen faasidiagrammista voimme määrittää vipuvarret, joiden avulla saamme selville faasioisuudet. Puhtaan ferriitin osuus 25 C lämpötilan kohdalla vaaka-akselilla on häviävän pieni, joten ferriitin vipuvarren mitaksi tulee 0,4 ja perliitin vipuvarreksi tulee 99,6. Tästä voi päätellä, että faasiosuudet ovat: Ferriitti: 99,6 p.% Perliitti: 0,4 p.% Myös 750 C lämpötilassa 0,4 p.% teräksellä on kaksi faasia: austeniitti ja ferriitti. Kuvioon 6 on merkattu austeniitin ja ferriitin faasien vipuvarret. Feriitti oranssilla ja austeniitti vihreällä. Ferriitin vipuvarsi on 3,8 ja austeniitin 2. Tällöin faasiosuudet ovat: Ferriitti: 2 / (3,8 + 2) 34,5 % Austeniitti: 3,8 / (3,8 + 2) 65,5 % Kuvio 6. Ferriitin ja austeniitin vipuvarret havainnollistettuna [1] http://www.ims.tut.fi/vmv/kuva_vmv/maop_3_01i.gif [2]http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_1.php [3]https://www.google.fi/search?qhypoeutectoid+steel+microstructure &espv2&biw1536&bih759&sourcelnms&tbmisch&sax&ved0ahu KEwiu6Ia6zbPSAhWI1iwKHTi2CnwQ_AUIBigB#imgrc7yG_dLAX4BIBUM: [4]http://www.bodycote.fi/fi-FI/services/heat-treatment/annealingnormalising/normalising.aspx [5] http://www.hilamet.fi/normalisointi.htm Kuvio 2. Ferriitti on tkk-rakenteinen (tilakeskeinen kuutiollinen) rauta, jota esiintyy alle 910 C lämpötilassa. Ferriitti liuottaa itseensä vain 0,02 p.% hiiltä. Mekaanisilta ominaisuuksiltaan ferriitti on pehmeää, eikä sitä voi muokkaamalla lujittaa voimakkaasti. Austeniitti puolestaan on pkk-rakenteinen (pintakeskeinen kuutiollinen) rauta, jota esiintyy yli 910 C lämpötilassa. Se liuottaa itseensä maksimissaan 2,1 p.% hiiltä. Tämä hiilipitoisuus on samalla teräksen ja valuraudan toisistaan erottava raja. Austeniitti on mekaanisilta ominaisuuksiltaan ferriitin tavoin pehmeää ja sitkeää, mutta se lujittuu erittäin voimakkaasti muokattaessa. Sementiitti on rautakarbidi Fe 3 C. Sen massasta 6,67 % on hiiltä ja 93,3 % rautaa. Se on taas mekaanisilta ominaisuuksiltaan kovaa ja haurasta, joka puhtaana luokitellaankin yleensä keraamiksi. Perliitti on lamellimaista ferriitin ja sementiitin seosta. Perliitti muodostuu austeniitista sen jäähtyessä hitaasti 723 C lämpötilan alle. Lamellimaisuus tarkoittaa sitä, että perliitin mikrorakenteessa on vuoronperään ferriitti- ja sementiittikerroksia (ts. lamelleja). Perliitti on ferriittiä lujempaa, mutta silti myös sitkeää. Se siis yhdistää ferriitin ja sementiitin mekaaniset ominaisuudet. Alieutektoidinen teräs sisältää sekä feriittiä, että perliittiä. Sitä muodostuu, kun 732 C korkeammassa lämpötilassa oleva austeniitin ja Kuvio 5. Normalisoinnin vaiheet visualisoituna Vaihe1: Alieutektoidinen teräs on eutektoidisen lämpötilan alapuolella ja se on sille ominaisessa mikrorakenteessa. Se koostuuu perliittikiteistä, joiden raerajoilla on ferriittiä. Normalisointi aloitetaan kohottamalla teräksen lämpötilaa. Aluksi se nostetaan eutektoidisen lämpötilan yläpuolelle. Vaihe2: Eutektoidisen lämpötilan yläpuolella perliittikiteet alkavat muuttumaan austeniitiksi. Lämpötilan yhä noustessa kaikki perliitti on muuttunut austeniitiksi, eli mikrorakenne koostuu vain austeniitti- ja ferriittikiteistä.
EUTEKTOIDISEN TERÄKSEN ISOTERMINEN LÄMPÖKÄSITTELY Tekijä: Ville Suopanki Yhteystiedot: ville.suopanki@aalto.fi Eutektoidinen teräs Eutektoidinen teräs on eutektoidisen reaktion kautta syntynyttä eutektoidia, jota sanotaan perliitiksi. Perliitti muodostuu ferriittipohjasta, jossa on erillisiä sementiittilamelleja. Eutektoidisen teräksen hiilipitoisuus on 0,76 painoprosenttiyksikköä (wt%). Perliitti koostuu vähähiilisestä (enintään 0,02 wt%) ja pehmeästä ferriitistä ja todella kovasta sementiitistä, eli rautakarbidista (Fe 3 C), jonka hiilipitoisuus on korkeahko 6,7 wt%. Perliitti onkin suora yhdistelmä ferriitin ja sementiitin ominaisuuksista. Ferriitti antaa perliitille pehmeytensä vuoksi hyvää muokattavuutta ja sementiitti runsaan hiilen ansiosta lisää perliitin kovuutta ja lujuutta. [1; 10.5][2] Kuva 1. Eutektoidinen piste, -lämpötila ja faasirajat Perliitti on siis teräksen lamellinen mikrorakenne, joka muodostuu austeniitista hajautumalla eutektoidisessa lämpötilassa 727 C. Eutektoidinen lämpötila (alempi muutoslämpötila) on graafisessa mielessä V mallisen kuvion pohja, jossa kiinteä faasi (austeniitti) risteää kahden kaksifaasisen koostumuksen kanssa. Tässä lämpötilassa syntyvä eutektoidinen teräs on täysin perliittistä. Syntyneiden lamellien paksuuteen, ja samalla materiaalin kovuuteen ja lujuuteen, voidaan vaikuttaa lämpökäsittelyillä.. [1; 10.5] TTT-diagrammi TTT-diagrammi (time-temperature-transformation) on diagrammi, jolla tutkitaan tai selvitetään muun muassa materiaalin kiderakennemuutoksia isotermisissä lämpökäsittelyissä. Diagrammi kulkeekin toisella nimellä Isothermal transformation diagram. Diagrammista voidaan lukea materiaalille ominaiset hajauttamislämpötilat halutulle kiderakenteelle ja aika, jossa (eutektoidinen)reaktio tapahtuu. Lisäksi diagrammista on luettavissa muuttuneen tuotteen kovuus. TTT diagrammi voidaan määrittää monella tapaa, joista yleisin ja tarkin on kuitenkin niin sanottu suolakylpymenetelmä. [1; 10.5][4] TTT-diagrammien yhteydessä puhutaan usein myös S-käyristä. Nimitys tulee käyrän S mallisesta muodosta. S-käyrät ovat materiaalille ominaisia ja kuvaavat materiaalin (rakenne)- muutoskäyttäytymistä TTT-diagrammissa. Käyrän mutoon vaikuttaa materiaalin lisäksi austenitointilämpötila. Austenointilämmön ollessa todella korkea, austeniitin raekoko kasvaa jolloin materiaali haurastuu. Toisaalta matalassa lämpötilassa kaikki ferriitti ei välttämättä muutu austeniitiksi, jolloin materiaali jää pehmeäksi eikä saavuta täydellistä perliittistä rakennetta. [1; 10.5][2][4] Nopein muutos austeniitista perliitiksi tapahtuu viereisen diagrammin teräksellä noin 600 C lämpötilassa. Tämän jälkeen reaktio hidastuu, vaikka lämpötilaero kasvaakin. Tämä synnyttää käyrään mutkan, jota nimitetään myös perliittinenäksi. Perliittimuutoksen alapuolella, nopeimmin noin 350 C lämpötilassa muodostuu bainiittia ja vielä alemmissa lämpötiloissa martensiittia. Muutoksen alkamislämpötiloja merkitään diagrammiin usein alaindekseillä s (start alku). Tämä indikoi sitä, että materiaalissa tapahtuu 1% rakennemuutos ko. lämpötilassa. Vastaavasti loppulämpötiloja (99% rakennemuutos) voidaan merkitä alaindeksillä f (finish) ja prosenteilla intuitiivisestikin muodonmuutosprosenttia. [1; 10.5][2] Esimerkkejä TTT-diagrammin käytöstä [1; 10.5] Tehtävänä on määrittää teräksen lopullinen mikrorakenne käyttäen TTT-diagrammia. Lisäksi arvioidaan kussakin tapauksessa lopullisen rakenteen faasiosuudet. Oletetaan, että teräksen alkulämpötila on 800 C. 1. Teräs jäähdytetään nopeasti 500 C lämpötilaan, pidetään siellä 100 sekuntia ja sammutetaan huoneenlämpötilaan. - Ylläolevasta TTT-diagrammista voidaan lukea, että jäähdyttäminen nopeasti 500 C lämpötilaan ja 100 sekunnin isoterminen pito synnyttää teräkseen täysin perliittisen mikrorakenteen. Perliittireaktio alkaa noin sekunnin pidon jälkeen ja on 500 C lämpötilassa ohi jo 10 sekunnin kuluttua. 100 sekunnin kuluttua mirkorakenne on siis täysin perliittinen eikä muita muutoksia pääse tapahtumaan, vaikka sammutuskäyrä kulkeekin martensiitin muodostus alueen läpi. 2. Teräs jäähdytetään nopeasti 200 C lämpötilaan, pidetään siellä 1000 sekuntia ja sammutetaan huoneenlämpötilaan. Kuva 2. Havainnoillistava kuva hiiliteräksen mikrorakenteista pelkistetyssä faasidiagrammissa Isoterminen lämpökäsittely Isoterminen lämpökäsittely tarkoittaa austeniitin hajauttamista vakiolämpötilassa. Materiaali kuumennetaan ensin austeniitin muodostumislämpötilan yläpuolelle eli austenitointilämpötilaan (esim. teräksellä noin 800-1100+ C) ja pidetään siellä, kunnes materiaali on homogenoitunut. Tämän jälkeen homogenoitunut materiaali siirretään mahdollisimman nopeasti hajautumislämpötilaan, jossa austeniitin annetaan hajautua vakiolämpötilassa. Lämpökäsittelyn isoterminen hajautumislämpötila ja pitoaika vaikuttavat merkittävästi syntyneeseen mikroraknteeseen. Suhde ferriitin ja sementiitin lamellin paksuuksilla on noin 8:1. Suhteeseen vaikuttaa kuitenkin valittu hajauttamislämpö, sillä juuri eutektoidisen lämpötilan alapuolella lamellipaksuus on suhteellisesti suurempi kuin alemmilla hajauttamislämpötiloilla. [1; 10.5][3] Isotermisellä lämpökäsittelyllä pyritään parantamaan usein koneistettavuutta tai esimerkiksi teräslangan kylmävedettävyyttä. Valitsemalla hajautuslämpötila oikein, voidaan vaikuttaa syntyvään mikrorakenteeseen hyvin erilaisilla tavoilla, kuten lamellikoon kasvattaminen (koneistuksen helpottaminen) tai bainiitin ja ferriitin muodostumisen ehkäisy (negatiivinen vaikutus kylmävedettävyyteen). [3] - TTT-diagrammista nähdään, että nopea jäähdytys 200 C lämpötilaan synnyttää teräkseen noin 25 % osuuden martensiittia ja loput 75 % materiaalista jää austeniitiksi. Jäähdytys on siis niin nopea tarpeeksi matalaan lämpötilaan, ettei hiili ehdi diffusoitua. Pitoaika ei vaikuta juurikaan martensiitin muodostumiseen, sillä diffuusioton rekatio on hyvin nopea ja alkaa välittömästi jäähdytyksen jälkeen. 3. Teräs jäähdytetään nopeasti 160 C lämpötilaan, pidetään siellä 10 sekuntia, nostetaan nopeasti 300 C lämpötilaan, pidetään siellä 104 sekuntia ja sammutetaan lopuksi huoneenlämpötilaan. - Nopea jäähdytys 160 C lämpötilaan muodostaa, kuten edellä, teräkseen martensiittia. Martensiittia muodostuu noin 50 %. Nopea lämpötilan nosto 300 C lämpötilaan ja 104 sekunnin pito muodostaa diagrammin mukaan teräkseen noin 20 % osuuden bainittia. Sammutuksen jälkeen lopulliset teräksen faasiosuudet ovat siis: martensiittia 50 %, bainiittia 20 % ja 30 % austeniittia. Jos eutektoidiseen teräkseen halutaan hieno perliittinen mikrorakenne, isoterminen pito on tehtävä mahdollisimman alhaisessa perliitinmuodostumislämpötilassa. Tällöin muodostuvien lamellien paksuus on pienin. Lämpökäsittelyssä teräs on jäähdytettävä nopeasti olet. 800 C lämpötilasta noin 540 C lämpötilaan, ns. perliittinenään. Reaktio alkaa alle sekunnin pidon jälkeen ja on ohi jo noin 7-8 sekunnissa. 10 sekunnin pito ja sammutus huoneenlämpötilaan tuottavat 100 % hienon perliittisen rakenteen teräkseen. [1] Materials Science and Engineering, William D. Callister, Jr; ISBN 978-0-470-41997-7 [2] Valuatlas; Metallurgian perusteita, http://www.valuatlas.fi/tietomat/docs/vtp_sulatus_metallurgia.pdf (viitattu 27.02.2017) [3] Valuatlas; Lämpökäsittely, http://www.valuatlas.fi/tietomat/docs/pn_jalkikasittely_i.pdf (viitattu 27.02.2017) [4] CES; Teach Yourself Phase Diagrams and Phase Transformations.pdf [5] Kuva 1; http://s3.amazonaws.com/answer-board-image/2010131239386339811917870012504585.jpg (viitattu 26.02.2017) [6] Kuva 2; http://lib.znate.ru/pars_docs/refs/105/104587/104587_html_245b543e.png (viitattu 26.02.2017)
Alumiini-kupariseoksen erkautuskarkaisu Katriina Ojanen katriina.ojanen@aalto.fi Johdanto Tämä posteri käsittelee materiaalien ja erityisesti alumiini-kupariseoksen erkautuskarkaisua. Aluksi selvitetään, mitä erkautuskarkaisu tarkoittaa ja mitä vaiheita siihen kuuluu. Sen jälkeen tutkitaan alumiinin ja kuparin ominaisuuksia. Sitten keskitytään erityisesti alumiini-kupariseoksen erkautuskarkaisuun mm. faasidiagrammien avulla ja lopuksi selvitetään, missä erkautuskarkaistua alumiini-kupariseosta käytetään. Posterin lopussa on vielä lyhyt tiivistelmä aiheesta. Faasidiagrammi Erkautuskarkaisua suunnitellessa voidaan hyödyntää faasidiagrammia. Faasidiagrammista näkyy seoksen olomuoto (kiinteä, sula tai niiden seos) ja siinä esiintyvät faasit lämpötilan ja koostumuksen mukaan. Piirroksen vaaka-akselin (seoksen koostumus) ja pystyakselin (lämpötila) mukaan voidaan siis lukea tietyn koostumuksen omaavan seoksen olomuoto tietyssä lämpötilassa. [8] Duralumiini 2000-sarjaksi kutsutaan metalliyhdisteiden ryhmää, johon kuuluvat alumiinikupariseokset. [7] Tunnetuin sarjan aineista on duralumiini. Aikaisemmin aineesta on käytetty myös nimeä duraali. Duralumiini on erkautuskarkaistava metalliseos. Duralumiini on seosmetalli, joka koostuu pääosin alumiinista ja seosaineena käytetystä kuparista. Se voi myös sisältää hyvin pieniä määriä magnesiumia ja mangaania. [9] Erkautuskarkaisu yleisesti Erkautuskarkaisu on lämpökäsittelymenetelmä, jossa materiaalin lujuutta nostetaan. Lämpökäsittely on jälkikäsittelyä, jossa kappaleen mekaanisia ominaisuuksia saadaan muutettua käyttötarkoituksen kannalta paremmiksi. Erkautuskarkaisu voidaan tehdä vain materiaaleille, jotka ovat erkautuskarkenevia eli niissä on mukana seosaineita. [5] Yleisimpiä erkautukarkaistavia yhdisteitä ovat mm. alumiini-kupariseos, alumiinihopeaseos ja rauta-hiiliseos ja alumiini-kupari-magnesiumseos. [3] Kuvassa 1 näkyy erkautuskarkaistua alumiiniseosta, johon on lisätty sinkkiä ja magnesiumia. Alumiini-kupariseoksen faasidiagrammi Otetaan seuraavaksi käsittelyyn Al-3 p.% Cu seoksen erkautuskarkaisu ja tutkitaan sitä kuvassa 3 olevan faasidiagrammin avulla. Vaaka-akselilla on aluksi lähdettävä kohdasta, jossa kuparia on 3 prosenttia koko seoksesta. Ensin seosta aletaan lämmittää, jolloin siirrytään kuvassa alkupisteestä suoraan ylöspäin. Kuvasta 3 nähdään, että n. alle 450 C lämpötilassa Al-3 p.% Cu seoksessa esiintyy kahta faasia. Lämpötilan vielä tästä noustessa päästään alkuaineiden yksifaasialueelle, joka näkyy kuvassa vasemmassa reunassa (Al-rich solid (Al)). Siellä alumiini on kiderakenteessa ja kuparin atomit ovat sijoittuneet korvausatomeina. Kupari on siis liuennut alumiinin sekaan. [2] Erkautuskarkaisun vaiheet Erkautuskarkaisussa on kolme vaihetta. Ensimmäinen niistä on nimeltään liuotushehkutus (engl. solution heat-treating). Liuotushehkutuksessa materiaali kuumennetaan sopivaan lämpötilaan ja pidetään siinä riittävän kauan seoksessa olevien seosaineiden liuottamiseksi. Liuotinlämpötila riippuu kyseessä olevan seoksen koostumuksesta. [4] [1] Toisesta vaiheesta käytetään nimitystä sammutus (engl. cooling). Siinä seos jäähdytetään nopeasti, jolloin seosaineet jäävät liuokseen. Nopean jäähdytyksen ideana on tehdä seoksesta ylikylläistä, sillä seuraavassa vaiheessa tapahtuva erkautuminen edellyttää, että materiaali on ylikylläisessä tilassa. Ylikylläinen tila tarkoittaa, että perusaineeseen on liuennut enemmän seosmateriaalia kuin sinne yleensä mahtuu. [7] Kuva 5. Duralumiinia [14] Duralumiinia käytetään suurta lujuutta vaativissa kohteissa, kuten esimerkiksi lentokoneiden osissa ja auton moottoreissa. Duralumiinin ensimmäinen käyttökohde oli kuitenkin ilmalaivat. Duralumiini on lujempaa kuin seostamaton alumiini tai alumiiniseos. Se ei kuitenkaan kestä korroosiota kovinkaan hyvin. [9] Kolmatta vaihetta kutsutaan erkautushehkutukseksi tai vaihtoehtoisesti vanhentamiseksi (engl. ageing tai precipitation heat treatment). Vanhennuksen tarkoitus on erkauttaa seosaineet hallitusti perusmateriaalista, jolloin syntyy paljon pieniä erkaumia. Erkautuminen tapahtuu diffusion ansiosta. Materiaalin vanhentaminen voidaan tehdä joko luonnollisesti hitaasti huoneenlämmössä tai nopeammin keinovanhentamalla korotetussa lämpötilassa. Syntyneet erkaumat toimivat tehokkaina esteinä dislokaatioiden liikkeelle ja näin lujittavat rakennetta. [1] Erkautuskarkaisun vaiheet näkyvät myös kuvassa 4. Kuva 3. Alumiini-kupariseoksen faasidiagrammi [12] Kuvat 6. [15] ja 7. [16] Duralumiinin käyttökohteita ennen ja nyt Kun seoksen lämpötila on ollut korkea tarpeeksi kauan, sille tehdään sammutus. Sammutuksessa seos jäähdytetään yksifaasialueelta niin nopeasti, ettei toinen faasi ehdi erkautua. Kuvaajassa siirrytään siis nopeasti alaspäin. Jos seoksen annettaisiin jäähtyä normaalisti korkeasta lämpötilasta, siihen syntyisi kaksifaasirakenne, jossa toinen faasi olisi suurina partikkeleina toisen faasin raerajoilla. Tuloksena olisi hauras ja heikko rakenne. Nopealla jäähdytyksellä näin ei kuitenkaan ehdi tapahtua. [6] Tiivistelmä Erkautuskarkaisu lämpökäsittelymenetelmä, jossa materiaalin lujuutta nostetaan. Menetelmä voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen. Erkautuskarkaisun ensimmäisessä vaiheessa kappale liuotushehkutetaan eli sen lämpötila nostetaan joksikin ajaksi korkeaksi. Sen jälkeen kappale sammutetaan jäähdyttämällä se nopeasti. Sammutuksen jälkeen kappaleen voidaan antaa joko vanheta luonnollisesti tai sille suoritetaan keinovanhennus. Vanhennus aiheuttaa kappaleeseen erkautuneita partikkeleita, jotka tekevät materiaalista entistä lujempaa. Duralumiini on erkautuskarkaistava metalliseos, jossa alumiiniin on seostettu pieniä määriä kuparia. Kuva 1. Mikrorakennekuva erkautuskarkaistusta alumiinista [10] Alumiini ja kupari Alumiini on yleisin metalli maankuoressa. Yleisesti metallit ovat hyvin muokattavissa, muovattavissa ja työstettävissä haluttuun muotoon. Metallin sisäinen rakenne vaikuttaa paljon sen ominaisuuksiin. Puhdas alumiini on hyvin pehmeä ja helposti muokattava aine ja sen murtolujuus on hyvin pieni. Alumiinin lujuutta voidaan kuitenkin nostaa mm. seostamalla siihen muita alkuaineita. Alumiinilla on pintakeskinen kuutiollinen hila (PKK) ja siksi siihen voidaan helposti seostaa muita aineita. Hilan rakenne näkyy kuvassa 2. Jälkikäsittelyssä alumiinin ominaisuuksia voidaan muokata paremmiksi. Erkautuskarkaisu onkin yksi tunnetuimmista alumiinin jälkikäsittelymenetelmistä. [5] Tässä posterissa käsitellyssä prosessissa alumiiniin seostetaan erkautuskarkaisussa hieman kuparia. Kupari on punaruskea alkuaine ja se kuuluu metalleihin. Kupari on venyvää, pehmeää ja sitkeää. Myös kuparilla on pintakeskinen kuutiollinen hila (PKK). Kupari tekee seoksista karkenevia eli lisää lujuutta ja kovuutta. Samalla sillä on kuitenkin haitallinen vaikutus korroosionkestävyyteen. [6] Kuva 2. Pintakeskeinen kuutiollinen hila [11] Sammutuksen jälkeen suoritetaan vanhentaminen tai keinovanhentaminen. Keinovanhentaminen on luonnollista vanhentamista nopeampaa ja seokselle se tehdään 100-200 C lämpötilassa. Seoksessa on ylimääräistä kuparia, sillä se on ylikylläistä. Vanhennuksessa ylimääräinen kupari erkautuu hienoiksi erkaumiksi ja materiaalista tulee lujaa ja sitkeää. Tämä rakenne näkyy myös kuvassa 4. [6] Kuva 4. Erkautuskarkaisun vaiheet ja seoksen rakenne [13] [1] Materials Science and Engineering, William D. Callister jr., David G. Rethwisch, Ninth Edition, SI version, Wiley, 2011 [2] CES EduPack Student Learning Package: Teach Yourself Phase diagrams and Phase Transformations [3] Phase Transformations in Metals and Alloys, Third Edition (Revised Reprint), David A. Porter, Kenneth E. Easterling, Mohamed Sherif, 2009 [4] Alumiiniseokset, Elin Carlholt Swecast AB, Käännös Tampereen Teknillinen Yliopisto, Tuula Höök. Linkki: http://www.valuatlas.fi/tietomat/docs/metals_aluminum_fi.pdf (luettu 26.2.2017) [5] Alumiinisten painevalukappaleiden suunnitteluohjeistus, Tuomas Korhonen, Linkki:https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/54131/Korhonen_Tuomas. pdf?sequence1 [6] Tampereen teknillinen yliopisto, Materiaaliopin laitos Linkki: http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_2_1.php (luettu 26.2.2017) [7] Linkki: http://www.totalmateria.com/page.aspx?idcheckarticle&sitektn&lnfi&nm2 35 (luettu 26.2.2017) [8] ValuAtlas Valimotekniikan perusteet Seija Meskanen, Pentti Toivonen, Linkki: http://www.valuatlas.fi/tietomat/docs/vtp_sulatus_metallurgia.pdf (luettu 26.2.2017) [9] Linkki: https://fi.wikipedia.org/wiki/duralumiini (luettu 26.2.2017) Kuvien lähteet [10] Linkki : http://www.scielo.br/scielo.php?scriptsci_arttext&pids1516-14392013000100024 (haettu 26.2.2017) [11] Kurssi KJR-C2004 - Materiaalitekniikka, kevät 2017, Insinööritieteiden korkeakoulu, luentomateriaali, luento 03b_metallit [12] CES EduPack Student Learning Package: Teach Yourself Phase diagrams and Phase Transformations [13] Tampereen teknillinen yliopisto, Materiaaliopin laitos Linkki: http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_2_1.php (haettu 26.2.2017) [14] http://www.aluminiumleader.com/upload/iblock/tilda/0aa28707-acbe-4fab-9fe1- ff3bd3734296 dur.png (haettu 26.2.2017) [15] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4f/nh43901- enhanced.jpg/700px-nh43901-enhanced.jpg (haettu 26.2.2017) [16] http://globe-views.com/dcim/dreams/aircraft/aircraft-06.jpg (haettu 26.2.2017)