Tina-vismutti juotosmetallin binäärinen seos Tekijä: Lassi Vuorela Yhteystiedot: lassi.vuorela@aalto.fi Juottaminen Juottamisessa on tarkoitus liittää kaksi materiaalia tai osaa niin, että sähkövirta kykenee kulkemaan kyseisten materiaalien välillä. Juottaminen tapahtuu sulattamalla juotetta liitokseen, joka täyttää pienetkin raot niin, että liitettävien materiaalien ja juotosmateriaalin liitos on mahdollisimman tiivis, pitää rakenteen kasassa liiman lailla ja johtaa sähköä. [1] Koska sovelluksen kannalta on välttämätöntä, että sähkövirta kykenee kulkemaan liitosta pitkin materiaalista toiseen, täytyy juotosmateriaalilla olla hyvä sähkönjohtavuus. Lisäksi jäähtyessään juotosmateriaalin on kovetuttava ja pidettävä liitettävät materiaalit lujasti yhdessä. Tämä vaatii juotosmateriaalilta hyvää lujuutta lämpötilassa, jossa juotoksen sisältävää laitetta käytetään. Juotoksen tärkein ominaisuus on kuitenkin sen alhainen sulamispiste; Tarkoitus on, että liitosta kuumennettaessa juotosmateriaali sulaa, mutta liitettävät materiaalit eivät. Kun juotosmateriaali jäähtyy eli jähmettyy, on riskinä että liitettävät materiaalit pääsevät liikkumaan, jolloin juotettavien materiaalien väliin jää rakoja, jolloin liitoksen sähkönjohtavuus ja kestävyys kärsii. Tämän vuoksi juotteelta vaaditaan mahdollisimman lyhyt jähmettymisaika. [1][2] Juotteina käytetään usein seoksia. Seokset voivat sisältää esimerkiksi tinaa, lyijyä, hopeaa tai kuparia. Juotteista halutaan yleisesti ympäristöystävällisiä ja terveydelle harmittomia. Siksi lyijyn käyttöä seoksissa pyritään vähentämään. Juotteen valintaan vaikuttaa myös juotettavat materiaalit sekä juotettavien osien koko. [2] Kuva 1. Juottaminen [1] Eutektinen jähmettyminen Metalliseoksia on käytännössä rajaton määrä, sillä seoksen ominaisuudet muuttuvat materiaaleja sekä niiden osuuksia muuttamalla. Käyttökelpoinen seos saadaan aikaan sulattamalla metallit, jolloin ne voidaan liuottaa toisiinsa, ja sen jälkeen jäähdyttämällä seoksesta saadaan kiinteä metalliseos. Metallien liukoisuus voi olla aukoton tai rajallinen. Aukottomassa liukoisuudessa metallit liukenevat toisiinsa täysin. Rajallisessa liukoisuudessa seokseen syntyy erilaisia faaseja; eriäviä kidemuotoja ja rakenteita. [3] Metalleilla on yksilölliset sulamispisteet. Sen vuoksi on loogista, että seoksen jäähtyessä metallit jähmettyvät eri tahtiin. Seoksilla onkin niin sanottuja puuroalueita, joissa toinen metalli on alkanut jähmettyä, kun toinen on vielä sula. Eutektisessa jähmettymisessä tällaista puuroaluetta ei pääse syntymään, vaan seoksen metallit muuttuvat sulasta kiinteäksi yhdessä ja samassa lämpötila. Eutektinen jähmettyminen vaatii juuri oikean suhteen seoksen metallien välillä. Eutektinen jähmettyminen tapahtuu siis vain oikeassa seossuhteessa ja oikeassa lämpötilassa; kahden metallin välillä on yksi oikea seossuhde eikä jäähdytysnopeus vaikuta lämpötilaan, jossa eutektinen jähmettyminen tapahtuu. Jäähtymisen nopeus vaikuttaa kuitenkin lopputuotteen kiderakenteeseen. Pistettä, jossa seoksen suhde ja lämpötila on oikea eutektiselle jäähtymiselle, sanotaan eutektiseksi pisteeksi. Eutektinen piste on myös alhaisin lämpötila, jossa seos muuttuu täysin kiinteästä täysin sulaksi. [3] Juotoksessa käytettävän materiaalin vaatimuksiin kuului mahdollisimman lyhyt jähmettymisaika juotettavien osien liikkumisen minimoimiseksi jähmettymisen aikana. Juuri sen vuoksi seossuhde, joka jäähtyy eutektisesti, on paras mahdollinen valinta juotteelle. Kaiken lisäksi kyseisellä seossuhteella on alhaisin mahdollinen sulamispiste kyseisten materiaalien seokselle. Juottamisen kannalta ominaisuus on erittäin edullinen, sillä juotteen sulattamiseen halutaan käyttää mahdollisimman vähän lämpöenergiaa. Lisäksi juotteen vaatimuksiin kuului, että juote sulaa mutta juotettavat materiaalit eivät. Juotteen optimaalinen sulamispiste määräytyy kuitenkin ilman muuta käyttökohteen mukaan; esimerkiksi elektroniikka, jota käytetään hyvin kuumissa ympäristöissä voisi vaatia juotemateriaalille korkeampaa sulamispistettä. Seossuhteen valinnassa ei ole tässä tapauksessa otettu huomioon myöskään juotteen lujuusvaatimuksia tai materiaalien hintaa markkinoilla, jotka mahdollisesti tilanteesta riippuen voisivat olla merkittäviä tekijöitä juotteen valinnassa. Kuvassa 2 tina-vismutti juotosmetallin binäärisen seoksen tasapainopiirros. Kun piirroksesta haetaan eutektinen piste, voidaan alimmasta vaaka-akselista lukea paras mahdollinen seossuhde juottamiselle; 43% tinaa ja 57% vismuttia. 43 Sn/ 57 Bi - eri lämpötiloissa [4] 200 celsiusasteessa seos on täysin sula. Sulassa seoksessa on vain sulaa faasia ja metallien osuus seoksessa on 43% tinaa ja 57 % vismuttia. Metallien osuus on määritetty massan mukaan. Materiaalien osuus tilavuudesta merkitään yleensä kaavion ylempään vaaka-akseliin. Kun seos jäähdytetään, se saavuttaa eutektisen pisteen 138 celsiusasteessa. Kun sula jähmettyy kyseisessä pisteessä, alkuaineiden tulee jakaantua nopeasti tinavaltaisen ja vismuttivaltaisen faasien välillä. Kuvasta 3 voidaan lukea faasien koostumukset piirtämällä vaakasuora viiva kyseisen lämpötilan kohdalle ja pystysuorat viivat niistä pisteistä, jossa vaakasuora viiva kohtaa reunimmaiset materiaalikohtaiset alueet (tässä tapauksessa vismutilla tällaista aluetta ei ole lainkaan). Faasien rakenteet luetaan alimmasta vaaka-akselista, eli määritetään kunkin faasin alkuainepitoisuudet. Näin ollen faasit ovat faaseille a ja b: Kuva 2. Tina-vismutti tasapainopiirros a =100% vismuttia ja b = 20% vismuttia. Suhteelliset määrät lasketaan vipusäännöllä, jossa faasin osuus seoksessa saadaan jakamalla vastakkainen osa vaakaviivasta koko vaakaviivan pituudella: Wa = (57-21) / (100 21) = 45,57% Wb = (100-57) / (100 21) = 54,43% Kun seosta jäähdytetään edelleen huoneenlämpötilaan, eli noin 25 celsiusasteeseen, seoksessa vallitsee edelleen kaksi faasia, mutta faasien rakenne ja suhteelliset määrät muuttuvat. Laskutapa on tismalleen sama kuin edellä, jolloin faasien rakenteet ovat seuraavat: a = 100% vismuttia ja b = 2% vismuttia Suhteelliset määrät ovat vipusäännöllä: Wa = (57 2) / (100-2) = 56,12% Wb = (100 57) / (100 2) = 43,88% Kun seos jähmettyy ja alkuaineet valitsevat puolensa, tuloksena on lamellimainen rakenne, jossa vuorottelevat a ja b kiteet. Jähmettymisen aikana kiteiden energia kilpailee valikoivan jähmettymisen nopeuden kanssa. Seoksen lamellien etäisyys riippuukin seoksen jähmettymisnopeudesta. Kuva 3. Faasit ja vipusääntö [1] http://www.sciencebuddies.org/science-fairprojects/project_ideas/elec_primer-solder.shtml[2] Lähde 2 [2] https://www.lifewire.com/types-of-solder-flux-818850[4] Lähde 4 [3] Materiaalitekniikka, luennot ja luentokalvot [4] Callister. Materials Science and Engineering: An Introduction.
Eutektoidisen teräksen isoterminen lämpökäsittely Tekijä: Daniel Haaranen Yhteystiedot: daniel.haaranen@aalto.fi Eutektoidinen teräs Eutektoidisella teräksellä tarkoitetaan teräksen ja hiilen homogeenistä kiinteää seosta, jossa teräksen ja hiilen mooliosuudet ovat tarkoin määritelty. Eutektoidisen teräksen seosaineet eivät sula omissa sulamispisteissään erikseen, vaan koko eutektoidinen teräs sulaa yhdessä lämpötilassa, jota kutsutaan eutektoidiseksi lämpötilaksi. Eutektoidinen lämpötila on eutektoidiselle teräkselle sen alhaisin lämpötila. Jos teräs ei olisi eutektoidista, lämpötilan noustessa ensin teräs sulaisi ja sen jälkeen hiili. Vastaavasti ei-eutektoidisen teräksen jäähtyessä seosaineet jähmettymät eri lämpötiloissa, ensin hiili ja sitten teräs. Eutektoidisen teräksen mikrorakenne huoneenlämmössä riippuu siitä kuinka paljon siinä on hiiltä liuenneena. Kun hiiltä on noin 0,8 %, mikrorakennetta eli faasia kutsutaan perliitiksi. Perliitti koostuu ohuista, vuorottelevista ferriitti- ja sementiittirakenteista. Sen kiderakenne on pintakeskinen kuutio (PKK) (kuva 1). Se syntyy, kun eutektoninen teräs jäähtyy sopivalla nopeudella, jolloin rakenteeseen syntyy vuorotellen ferriitti- ja sementiittirakenteita. Alle 0,8% hiiltä sisältävässä perliittisessä teräksessä on sen raerajoilla suurempia ferriittisä alueita. Ferriittisten alueiden kiderakenne on tilakeskinen kuutio (TKK) (kuva 2). Ferriitti on myös puhtaan raudan kiderakenne, mutta niin kuin on jo todettu se voi sisältää hieman hiiltä (alle 0,8%). Perliittisessä teräksessä suuret ferriittiset alueet tekevät teräksestä vähemmän lujaa. Ferriitin hyviin ominaisuuksiin kuuluu sen muokattavuus ja hyvät magneettiset ominaisuudet. Ferriittisiä teräksiä käytetään runsaasti sähkötekniikassa esimerkiksi käämien sydäminä. Jos taas hiiltä on yli 0,8% ja maksimissaan 6,7%, esiintyy perliittisessä teräksessä enemmän sementiittiä. Sementiitillä on ortorombinen (kuva 3) kiderakenne, joka tekee siitä kovaa ja haurasta. Sementiitti yksinään luokitellaan keraamiksi. Tätä runsashiilistä perliittistä terästä käytetään terärakenteisiin ja rakentamistarkoituksiin. Isoterminen lämpökäsittely Isotermisen lämpökäsittelyn tarkoituksena on saavuttaa teräksen austentiitti. Austeniitti on raudan ja hiilen kiinteä liuos, joka saavutetaan eutektoidisen lämpötilan yläpuolella. Perliittillä on usein austenoidun teräksen mikrorakenne huoneenlämmössä eli kuutiollinen tilakeskinen kiderakenne (kuva 1). Isotermisellä lämpökäsittelyllä alkaa siis teräksen kuumentamisella eutektoidisen lämpötilan (noin 727 C) yläpuolelle,. Tämän jälkeen terästä pidetään tietyssä lämpötilassa, jotta austeniitti voi muodostua ja homogenoitua. Austeniitin muodostuttua teräs jäähdytetään mahdollisimman nopeasti hajautumislämpötilaan, jossa austeniitin annetaan hajautua vakiolämpötilassa. Prosessissa teräksen kiderakenne muuttuu kuutiollisesta tilakeskeisestä (ferriitti) pintakeskeiseksi (austeniitti), jolloin teräksestä tulee lujempaa ja dislokaatioiden määrä kasvaa. TTT-diagrammi TTT-diagrammi (time-temperature-transformation) kuvaa yhden materiaalin transformaatiota piirrettynä lämpötila- ja aika-akseleille. Diagrammissa lämpötila on pidetty vakiona muodonmuutoksen aikana ja jäähdytys on tehty nopeasti kyseiseen lämpötilaan. TTT-diagrammi auttaa ymmärtämään teräksen muodonmuutoksia korkeissa lämpötiloissa. TTT-diagrammissa on esitetty teräksen eri faasit, jotka ovat A=austeniitti, P=perliitti, B=bainiitti ja M=martensiitti. Bainiitti ja martensiitti ovat ferriittin hiilikylläisiä muotoja, jotka syntyvät kun, jäähtymisnopeus on hyvin suuri. Tämä johtuu siitä, että hiili ei ehdi poistumaan austeniitista diffuusion avulla. Kun tiedetään lähtölämpötila, jäähdytyslämpötila, jäähdytysaika ja loppulämpötila, voidaan diagrammiin piirtää viiva näitten pisteiden mukaan. Viivalta voidaan lukea missä kohtaa muodonmuutos alkaa, on puolillaan, loppuu ja mikä on lopullinen faasi. Esimerkki 2. Alkulämpötila on 800 C. Nopea jäähtyminen 200 C:seen, pito 1000 sekunnin verran, sammutus huoneenlämpötilaan. Nopea jäähdyttäminen 800 asteesta 200 asteeseen aloittaa martensiitin muodostumisen. Lämpötilan pysyessä vakiona ei tapahdu muodonmuutoksia. Jäähdytettäessä teräs huoneen lämpötilaan on teräksen faasi kokonaisuudessaan martensiittiä, jonka mikrorakenne on tilakeskinen tetragoninen hila. (kuva 6.). Kuva 6. Esimerkki 2. Esimerkki 3. Alkulämpötila on 800 C. nopea jäähtyminen 200 C:seen, pito 1000 sekunnin verran, sammutus huoneenlämpötilaan. Nyt ensimmäinen jäähdytys tapahtuu nopeasti 160 asteeseen, jolloin puolet rakenteesta on jo martensiittiä. Nopea lämpötilan nosto 300 asteeseen ja 10 000 sekunnin pito tässä lämpötilassa muuttavat loput 50% bainiitiksi. Lopullisen teräksen mikrorakenne on kahden faasin, martensiitin ja bainiitin sekoitus (kuva 7.). Kuva 1. Perliitin kuutiollinen pintakeskinen kiderakenne Kuva 2. Ferriitin kuutiollinen tilakeskeinen kiderakenne Kuva 4. TTT-diagrammi Arvioidaan kolmen esimerkin lopulliset faasit. Esimerkki 1. Alkulämpötila on 800 C. Nopea jäähtyminen 500 C:seen, pito 100 sekunnin verran, sammutus huoneenlämpötilaan. Kuvasta 5. on piirretty esimerkin mukainen tilanne. Lopullinen muodonmuutos tapahtuu viivan ylittäessä vihreän käyrän, joten lopullinen faasi on bainiittia. Kuva 7. Esimerkki 3. Hahmotellaan lopuksi vielä TTT-diagrammiin kuvaaja, jonka lopputuloksena on hienorakeinen, perliittinen mikrorakenne. Kuvassa 8. on piirretty käyrä, jonka lopputuloksena saavutetaan tämä. Nopea jäähdytys on vain 800 asteesta 600 asteeseen, ja aika jonka teräs jäähtyy on 1000 sekuntia. Tämä on sopiva jäähdytysnopeus perliitin muodostumiselle. Ferriitti- ja sementiittirakenteet ehtivät muodostua tasaisesti vuorotellen teräkseen. Perliitti on ominaisuuksiltaan muokattavaa ja lujaa, mutta ei erityisen pehmeää tai haurasta. Kuva 3. Sementiitin Fe3C-kide, jossa rauta-atomit on merkitty sinisellä Kuva 5. Esimerkki 1. Kuva 8. Lämpökäsittely, jonka lopputuloksena on hienorakeinen perliittinen mikrorakenne [1] https://en.wikipedia.org [2] http://www.elisanet.fi/harri.nevalainen/tietoisk/isotermisetlkt.htm [3] http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_1_3b.php [4] Materials: engineering, science, processing and design, Mike Ashby, Hugh Shercliff, David Cebon, Waltham, USA, 2014
Alietektoidisen teräksen normalisointi Tekijä: Jouni Metsälä Yhteystiedot: jouni.metsala@aalto.fi Mitä on normalisointi? Teräksen normalisoinnilla tarkoitetaan teräksen lämpökäsittelyä. Sen tarkoituksena on antaa teräkselle yhtenäinen ja hienorakenteinen rakenne. Prosessia käytetään ennustettavissa olevan mikrorakenteen saavuttamiseksi ja teräksen mekaanisten ominaisuuksien varmistamiseksi. Normalisointia tehdään pääasiassa hiiliterästen ja niukkaseosteisten terästen rakenteen normalisointiin taonnan, kuumamuovauksen tai valamisen jälkeen. Normalisoinnin jälkeen saavutettu kovuus riippuu teräksen mittojen analyysista sekä käytetystä jäähdytysnopeudesta. Normalisoinnin aikana materiaali kuumennetaan lämpötilaan, joka vastaa suunnilleen karkaisulämpötilaa. Tässä lämpötilassa muodostuu uusia austeniittisia rakeita. Austeniittiset rakeet ovat huomattavasti edellisiä ferriittisiä rakeita pienempiä. Kuumennuksen ja lyhyen pitoajan jälkeen komponentit jäähdytetään ilmassa. Jäähdytyksen aikana muodostuu uusia ferriittisiä rakeita, joiden koko on edelleen pienempi. Joissakin tapauksissa sekä kuumennus että jäähdytys tapahtuvat suojaavassa kaasussa hapettumisen ja hiilikadon välttämiseksi. Kuva 1:Rauta-hiili tasapainopiirros Mikä on alieutektoidinen teräs? Teräs on rautavaltainen metalliseos. Yleisin tapa valmistaa terästä on sekoittaa rautaa sekä hiiltä yhteen. Näin syntyy hiiliterästä, joka on myös tunnetuin ja käytetyin teräsmalli. Tämä rauta-hiilisekoitus luokitella teräkseksi, jos hiilen pitoisuus seoksessa on alle 2,0%. Jos hiilipitoisuus ylittää tämän rajan, puhutaan valuraudasta. Hiilipitoisuuden rajan määrää teräksen muokattavuus kuumana ja kylmänä. Yleisin hiilipitoisuus on luokkaa 0,80%. Tällä hiilipitoisuusvälillä oleva teräs on niin sanottua eutektoidinen teräkseksi. Jos hiilipitoisuus on alle tätä luokkaa, on kyseessä alieutektoidinen teräs. Alieutektoidisen teräksen tapauksessa austeniitin hajaantuminen tapahtuu seuraavasti. Austeniitin raerajoille muodostuu esieutektoidista ferriittiä. Eutektoidisessa lämpötilassa loppu austeniitti hajaantuu perliitiksi. Rakenteena on perliittiä ferriittipohjalla. Austeniitti on metallien seosaineen kiinteä liuos. Teräksen normalisointi Teräksen normalisoinnissa teräs kuumennetaan tasaisesti lämpötilaan, joka aiheuttaa täydellisen muodonmuutoksen austenuiittiseksi. Teräs pidetään tässä lämpötilassa, kunnes se on homogeeninen. Tämän jälkeen teräksen annetaan jäähtyä normaalisti, koska se on nopeampaa kuin jäähdyttäminen uunissa. Näin ollen, jäähdytysaika normalisoinnissa on merkittävästä nopeampi kuin hehkutuksessa. Normalisoinnissa saavutetaan seostamattomilla rakenneteräksillä sitkeä ja hienojakoinen ferriittis-perliittinen mikrorakenne. Jäähtyessään austeniittialueelta A3 faasirajan alapuolelle alieutektoidisen teräksen austeniitti alkaa muuttua ferriitiksi. Ferriitin kiteytyminen alkaa helpoimmin austeniitin raerajoilta. Austeniitin muuttuessa ferriitiksi, ferriitistä poistuva hiili siirtyy austeniittiin, jonka hiilipitoisuus kasvaa lämpötilan laskiessa A3 faasirajan mukaisesti. A1 faasirajalla ferriitin hiilipitoisuus saavuttaa 0,02 %C ja austeniitin hiilipitoisuus saavuttaa arvon 0,8% C. Tällöin loppu austeniitti hajautuu eutektoidisen reaktion kautta perliitiksi. Alieutektoidisen teräksen rakenteessa on siten esieutektoidista ferriittiä (lähinnä entisen austeniitin raerajoilla) sekä perliittiä. Perliitin määrä on sitä suurempi, mitä korkeampi teräksen hiilipitoisuus on. Normalisoinnin liotus periodin aika riippuu työstetyn kappaleen paksuudesta, noin tunti per 25mm, mutta miniaika on kaksi tuntia. Työstetyn kappaleen massalla on suurivaikutus jäähtymisaikaan ja samalla mikrorakenteen tulokseen. Ohuet kappaleet ovat tämän takia kestävämpiä, kuin paksummat. Alietektoidinen teräs ei yleensä tarvitse normalisointia, mutta sillä ei ole haittavaikutuksia. Alietektoidisen teräksen faasikoostumukset jaosuudet Austeniitin muodostumiselle on aina silloin olemassa termodynaamiset edellytykset, kun lämpötila ylittää 738 C. Tällöin tulee mikrorakenteessa oleva sementtiitti epävakaaksi ja muuttuu austeniitiksi ytimen muodostumis- ja kasvumekanismilla. Aluksi muodostuu austeniitin ytimiä ferriitti- ja sementiittilamellien välisille rajoille. Nämä ytimet kasvat sitten ferriitti- ja sementiittilamellien kustannuksella, kunnes kaikki perliitti on muuttunut austeniitiksi. Alieutektoidisella teräksellä on tällöin mikrorakenteessa ferriittiä ja eutektoidisen koostumuksen omavaa austeniittia. Eutektoidisella teräksellä on mikrorakenne täysin austeniittinen. Alieutektoidisella teräksellä muuttuu austeniitin kanssa tasapainossa oleva ferriitti lämpötilan noustessa 738 C:n yläpuolelle vähitellen austeniitiksi ytimenmuodostumis- ja kasvumekanismilla. Kun lämpötila ylittää tarvittavan määrän, on kaikki ferriitti kadonnut ja mikrorakenne on austeniittia, jonka hiilipitoisuus vastaa teräksen keskimääräistä hiilipitoisuutta. Alieutektoidisessa hiiliteräksessä liukenee kaikki sementiitti jo ennen kuin ferriitti on ehtinyt muuttua austeniitiksi. Kuva 4: Alieutektoidisen teräksen mikrorakenne Kuva 2: Alieutektidoisen teräksen koostumus (vasemmalla) ja ylieutektidoisen teräksen koostumus (oikealla) Kuva 3: Normalisoinnin kulku Kuva 1: http://www.elisanet.fi/harri.nevalainen/kuvat2/kuva1.jpg Kuva 2: http://www.ims.tut.fi/vmv/kuva_vmv/maop_3_02.gif Kuva 3: http://www.ims.tut.fi/vmv/kuva_vmv/maop_3_11.gif Kuva 4: http://www.elisanet.fi/harri.nevalainen/kuvat2/kuva2.jpg [1] http://www.elisanet.fi/harri.nevalainen/tietoisk/terasopas.htm [2] http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_1.php [3] http://ispatguru.com/normalizing-process-for-steels/ [4] https://www.quora.com/what-are-the-practical-applications-ofnormalizing-annealing-and-quenching-heat-treatment-processes [5] http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_1_1.php [6] https://fi.wikipedia.org/wiki/ter%c3%a4s
Alumiini-kupariseoksen erkautuskarkaisu Nicolas Piron nicolas.piron@aalto.fi Johdanto Faasidiagrammit erkautuskarkaisussa Alumiini- kupariseoksen erkautuskarkaisulla voidaan luoda erittäin lujia materiaaleja (700 Mpa), jotka päihittävät lujuus / massa suhteellaan jopa parhaimmat terässeokset. Tämä on muun muassa mahdollista koska käsittelyn jälkeen alumiini- kupariseos sisältää paljon erkaumia ja dispersioita. [1] Erkauma on toisen faasin partikkeli hilassa, jossa hilatasot jatkuvat kyseisestä hilasta erkaumaan tullessa [2] Dislokaatiot eivät pysty liikkumaan materiaalissa jos erkaumien koko on oikea, tällöin dislokaatiot pysähtyvät erkaumiin ja materiaali on lujempaa. Käymme tässä posterissa erkauskarkaisun vaiheet läpi ja esitämme lopussa Al-3 p.% Cu seokselle erkauskarkaisun eri vaiheet. Erkautuskarkaisun vaiheet Alumiini seos työstetään erkauskarkaistuksessa ensiksi liuotushehkutuksella jonka jälkeen se sammutetaan / jäähdytetään ja erkautetaan, prosessi on siis kolmivaiheinen. Metalliseos pursotuksen, seostuksen tai takomisen yhteydessä ensinksi liuoshehkutetaan noin 2 tunnin ajan noin 550 C lämpötilassa. Tämä saa alumiinin ja kuparin liukenemaan toisiinsa. Tämän jälkeen seos menee työstetään karkaisuprosessilla, eli jäähdytetään hyvin nopeasti liuoshehkutuksen korkeasta lämpötilasta, tämä tehdään yleensä ottaen yksinkertaisesti kylmällä vedellä. Lämpökarkaisu on hyvä tapa ns. vangita kupari alumiiniseokseen pysyvästi. Seoksen jäähdytyksestä voi kuitenkin koitua ongelmia, jotka voivat johtaa metalliseoksen vääristymisiin ja sisäisiin jännitystiivistymisiin. Nämä voidaan yleensä hoitaa tarpeen tullen valssauksella. Viimeisessä vaiheessa metalliseoksessa tapahtuu erkautuminen, seos lämmitetään 120 C ja 190 C välille noin 8 tunniksi. Siinä aikana kupari ja alumiini muodostavat dispersioita ja erkaumia jotka antavat seokselle lujuutta. [1] Erkautuskarkaisun tarkoituksena on antaa metallille lujuutta, viimeinen vaihe on siis kaikista tärkein. Erkauskarkaistu alumiini - kupari seokset on erittäin lujaa, kestää korroosiota hyvin ja on tiheydeltään pieni eli kevyttä materiaalia. Metalliseos ei kuitenkaan kestä erittäin korkeita lämpötilaoja hyvin. Jos alumiini kupari seos lämmitetään yli sen erkauskarkaisun aikana käytetyn maksimi käsittely lämpötilan, materiaalin lujuus hävitetään. Tämä lämpötila riippuu seoksen koostumuksesta ja erityisesti kuparin määrästä alumiinissa. Näitä korkeita lämpötiloja voidaan saavuttaa esimerkiksi materiaalin hitsauksessa, alumiini kupariseokset eivät tämän takia yleisesti sovi hyvin hitsattavaksi. Seoksia voidaan kuitenkin hitsata pienissä ja keskikokoisissa lämpötiloissa, jolloin hitsausten lujuus ei ole kuitenkaan paras mahdollinen. [1] Jotta voitaisiin määritää esimerkiksi jonkin alumiini kupari seoksen maksimihitsauslämpötilan voimme käyttää faasidiagrammia hyödyksi. Faasidiagrammista [kuva 2] näämme milloin Al + CuAl2 seos vaihtaa faasiaan ja muuttaa olomuotoon nestemäiseksi tai puuroksi (kiinteä alumiini + nestemäinen). Jotta voimme määrittää tämän lämpötilan pitää meidän kuitenkin tietää materiaalin koostumus. Voimme hyödyntää faasidiagrammia lämpökäsittelyssä lisäksi materiaalin valinnassa ja koostumuksen suunnittelussa. Jos haluamme että erkauskarkaistavalla metalliseoksella olisi matala kuparin pitoisuus, voimme katsoa faasidiagrammista missä lämpötilassa faasimuutos silloin tapahtuisi. Näemme faasidiagrammista lisäksi kuparin maksimipitoisuuden jotta faasi ei muuttuisi. Haluamamme Al + CuAl2 faasi voi sisältää maksimissaan noin 52 massa % kuparia, tämä ei kuitenkaan erkauskarkaisun kannalta ole tärkeää. Faasidiagrammin avulla voimme optimoida alumiini -kupari seoksen lämmönkestävyyttä suhteessa kuparin pitoisuuteen. 3 prosentin Al Cu seoksen erkautuskarkaisu Kuva 1. Esimerkkejä alumiini seoksien sovelluksista [1] Tarkastelemme seuraavaksi tarkemmin Al-3 p.% Cu seoksen erkauskarkaisu prosessia. Alussa meillä on alumiinia ja kuparia erikseen, näitä aletaan liuoshehkutuksen aikana lämmittämään jolloin metallit seostuvat. Hehkutuksen aikana seos on alpha faasia eli ns. kiinteää alumiinia (Kuva 3), 3 % alumiini kupari seokselle tarvittava lämpötila olisi vähintään noin 450 C. Metalliseosta on parasta pitää siinä lämpötilassa kunnes se on seostunut täysin. Karkaisuvaiheessa seos jäähdytetään alle sataan asteeseen, jolloin faasi muuttuu alpha thetaksi eli Al + CuAl2:ksi. Tällöin materiaali on siis jo haluttua faasia, haluamme kuitenkin vielä parantaa sen lujuutta erkautumisella. Kolmannessa vaiheessa seos lämmitetään lämpötilaan joka on alle sen faasimuutospisteen, joka on meidän tapauksessa 450 C. Yleensä ottaen erkautuminen suoritetaan 120-190 C lämpötiloissa. Koko prosessin aikana alumiini kupari seoksen kuparipitoisuus on pysynyt samana eli 3 prosentissa. Dispersioita syntyy kun vähintään kahta materiaalia seostetaan jolloin syntyy kaksifaasista ainetta. Alumiini kupariseoksen tapauksessa näitä kaksifaasisia aineita ovat CuAl ja CuAl2, niitä syntyy erkauskarkaisun kolmannessa ja viimeisessä vaiheessa. Tällöin faasien välille jäävät hilatasot eivät ole täydellisiä, jolloin dislokaatiot pinoutuvat näihin faasirajoihin. Tässä samassa vaiheessa muodostuvat samalla myös erkaumat dislokaatioiden lisäksi. Koska faasirajat estävät dislokaatioiden liikettä, edistävät faasirajat myös seoksen lujuutta. [3] Yhteenveto Erkautuskarkaisu vaatii kolmen vaiheen prosessin joista ensimmäinen on eri faasia kuin muut kaksi vaihetta. (kuva 3) Faasidiagrammista meille on hyötyä prosessissa määrittääkseen tämän ensimmäisen vaiheen lämpötilan, joka on samalla myös metalliseoksen korkein kestämä lämpötila erkauskarkautuksen jälkeen. Lämpökäsittelyssä lujuus syntyy vasta viimeisessä vaiheessa kun seos erkautetaan jolloin syntyy dislokaatioita hidastavia dispersioita ja erkaumia. Huomasimme myös että 3 prosenttia kuparia sisältävä alumiini on lämpötilalle heikompi kuin yleinen alumiini kupariyhdiste. CES EduPackin mukaan tällainen seos kestää yleensä noin 550 C eli 100 C enemmän kuin 3 % Al Cu seos. Kuva 2. Al CU faasidiagrammi [1] Kuva 3. Al CU erkautuskarkaisun vaiheet faasidiagrammissa [4] [1] CES EduPack 2016 [2] Tampereen teknillisen yliopiston Materiaaliopin laitos, http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_1_2.php [24.1.2017] disortion [3] Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulaz, D. K. Bhattacharya, 2010 Essentials of Materials Science and Engineering Second Edition kappale 11 ja 12 [4] Total Materia, Precipitation Hardening of Aluminium Alloys, http://www.totalmateria.com/page.aspx?id=checkarticle&site=ktn&nm=235
Tasapainon mukainen jähmettyminen Tekijä: Amena Hussain Yhteystiedot: amena.hussain@aalto.fi Johdanto Posterissa on perehdytty tasapainon mukaiseen jähmettymiseen. Määrittelemme ensin sen määritelmän sekä oleellisia termejä tasapainon mukaiseen jähmettymiseen liittyen, kuten esimerkiksi eutektinen systeemi, binäärinen systeemi ja isomorfinen systeemi. Lisäksi perehdytään case Cu-Ni systeemiin. Tasapainonmukaisen vastakohtana on nopea jähmettyminen eli mikrosuotautuminen. Jotta aiheesta saadaan kokonaisuuden, perehdymme myös mikrosuotautumiseen ja sen vaikutuksiin. Jäähtyminen Cu-Ni systeemissä Systeemi sisältää kaksi komponenttia, eli se on binäärinen. Yksi komponentti on kupari ja toinen nikkeli. Faasien koostumuksia ovat sulan faasin koostumus likviduksessa ja kiinteän faasin koostumus soliduksella. Piirroksessa on kolme faasialuetta: L, L + α ja α. L:llä tarkoitetaan sulaa faasia. α:lla kiinteää jähmettynyttä faasia ja L + α on siten molempien sekoitusta, jolla on puuromainen koostumus [2]. Cu-Ni systeemi on isomorfinen, mikä tarkoittaa että α faasialuetta esiintyy kaikilla seossuhteilla, eli 0-100 p.% esiintyy, jollain seossuhteella kiinteää faasia [3]. Kiteitä alkaa muodostumaan likvidusrajaa ylittäessä L+ α -alueella ja ne jatkavat siitä suurenemista. Kun saavutetaan solidusraja on seos täysin jähmettynyt ja diffuusio on tasoittanut koostumukest [3]. Tasapainopiirroksessa (Kuva 2) lämpötilassa 1300 o C, eli A:ssa on 35 p.% sulaa nikkeliä ja 65 p.% sulaa kuparia. Kun mennään A:sta B:hen likvidusrajan yli alkaa seokseen muodostumaan pieniä kiteitä. B:ssä, kun lämpötila on noin 1260 o C, nikkelin osuus on 35 p.% sulasta aineesta ja 46 p.% kiinteistä kiteistä. B:stä C:hen mentäessä lämpötilan laskiessa kiteiden osuus ja koko kasvaa. C:ssä, lämpötilassa n. 1250 o C, nikkelin osuus on 32p.% sulasta aineesta ja 43 p.% kiteistä. Lämpötilan laskiessä edelleen siirrytään D:hen jossa kiinteän aineen osuus on kasvanut merkittävästi. Lämpöä on n. 1220 o C ja nikkeliä on sulassa seoksessa 24 p.% ja kiinteässä 36 p.%. E:ssä, lämpötilassa n. 1990 o C, seos on täysin kiteytynyt, eli jäähtynyt. [2] Cu-Ni systeemi ja vipuvarsi Pisteessä C Kuvassa 2 on puuroaluetta. Siinä on sekä kiinteää ja sulaa faasia. Lämpötila on 1250 o C. Puuroalueella faasien osuudet saadaan vipuvarsisäännön avulla. Kuvasta 2 nähdään että c:n kautta kulkeva sininen viiva leikkaa likvidus- ja solidusrajan 32 p.% ja 43 p.% kohdissa. C o on tässä 35 p.%. Näillä tiedoilla ratkaistaan faasien osuudet seuraavien kaavojen avulla: W L on sulan faasin osuus puuroalueesta ja W a on kiinteän faasin osuus puuroalueesta. R on vasemman varren pituus ja C oikean. [2] Kuva 1: [1] Yksinkertainen tasapainodiagrammi veden faaseista. Yleistä tietoa Tasapainon mukaisella jähmettymisellä tarkoitetaan kontrolloitua ja äärettömän hidasta jähmettymistä. Kun jähmettyminen on hidasta, seoksessa olevat konsentraatioerot, jotka ovat muodostuneet jäähtymisen yhteydessä, tasaantuvat diffuusion toimesta. [2] Tasapainopiirroksista selviää minkälaiset rakeet muodostuvat seoksessa jäähtyessään [3]. Eli piirroksista selviää myös faasien tiedot. Tasapainopiirroksissa vaaka-akselilla on seosaineen painoprosenttiosuus ja pystyakselilla lämpötila. Lämpötila ja konsentraatio määräävät: monta faasia seoksessa on mikä on niitten koostumus ja mikä on niitten osuus (vipuvarsi) Jos tiedetään lämpötila ja konsentraatio, voidaan selvittää tasapainopiirroksen avulla yllä listatut tiedot. [2] On olemassa kuitenkin seosyhdisteitä, joissa aineet seostuvat täysin kaikilla seostussuhteilla. Esimerkki tällaisesta seoksesta on mm. nikkelikupariseos. Molemmilla aineilla on melkein yhtä suuri elektronegatiivisuus ja atomin halkaisija sekä kiderakenne on samanlainen, siksi ne seostuvat homogeenisesti muodostamatta useampaa faasia. [2] Tasapainopiirroksessa voi esiintyä sulamispiste tietyllä seossuhteella. Esimerkki tällaisesta seoksesta on esim lyijy-sinkkiseos, jossa on sulamispiste 60 paino% lyijyn kohalla 150 celsiusastetta. Systeemi, jossa esiintyy sulamispiste kutsutaan eutektiseksi systeemiksi. [2] Se, miten seos puuroalueella sekoittuu ennen täysin jähmettymistä, riippuu seos- tai epäpuhtausatomin koosta. Suuret atomit sijoittuu pääatomien kohdille korvausatomeina ja pienet atomit sijoittuvat välisijoihin välisija-atomeina. Korvausatomit eivät edesauta yhtä paljon sekoittumista kuin välisija-atomit. Diffuusioon vaikuttaa myös kiinteän faasin rakenne. Esimerkiksi austeniittisiin rakenteisiin mahtuu enemmän välisija-atomeja. [3] Kuva 2: [1] Tasapainopiirros Ni-Cu systeemista. Tarkastellaan 20-60 p.% aluetta. Piirrokseen on havainnollisestu pisteiden a-e koostumuksia seossuhteella 35 p.%. Nopea jähmettyminen Nopea jähmettyminen on vastakohta valikoivalle jähmettymiselle. Nopeassa jähmettymisessä muodostuu epähomogeeninen rakenne. Konsentraatioerot eivät ehdi tasaantumaan, kun jähmettyminen on nopeeta [3]. Tätä epätasapainoista jähmettymistä kutsutaan mikrosuotautumiseksi. Siinä siis ensin jähmettyneessä kiteessä on painoprosentuaalisesti eri määrä seosaineita kuin viimeiseksi jäähtyneellä kohdalla, eli kiteen reunalla. Makrosuotautumisella taas tarkoitetaan suuremmalla skaalalla pitoisuuseroja. Esimerkkinä tällaisesta jähmettymisestä on esimerkiksi valukappale, jossa pinnan pitoisuus on eri verrattuna sen sisäosaan. [4] Kuva 2: [5] Rakennekuva eräänlaisesta kupari-nikkeliseoksesta. Tasapainon mukaisen jähmettymisen vaikutukset ja edellytykset Tasapainon mukaisessa jähmettymisessä ei huomioida aineensiirron hitautta eikä siitä aiheuttuvia tasapainotilasta liikkumista. Jähmettymisen on oltava erittäin hidasta, jotta saavutetaan tasapainoa ja saadaan koostumuksesta täysin sama kaikkialla kiinteässä rakenteessä. Vähänkin nopeampi jähmettyminen saa aikaan epätasaisen ja osuuksiltaan vaihtelevan kiinteän rakenteen. Tasapainon mukaista jähmettymistä käytetään kun halutaan muokata seos saadaaseen haluttuja ominaisuuksia, tietynlaisia faaseja, tiettyä lujuutta tai sitkeyttä jne. [1] Veden faasidiagrammi: http://unmasadalha.blogspot.fi/2016/01/water-phase-diagram.html [2] D. Callister - Materials Science [3] Materiaaliopin laitos Tampereen teknillinen yliopisto: http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_3_5_1.php [4] Prosessimetallurgian tutkimusryhmä, Oulun yliopisto: http://slideplayer.fi/slide/2981990/ [5] Copper development association Inc.: https://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_nickel. html