Alumiinit Raaka-ainekäsikirja 5
Tämän teoksen osittainenkin kopiointi on tekijänoikeuslain (404/61, siihen myöhemmin tehtyine muutoksineen) mukaisesti kielletty ilman nimenomaista lupaa. Lupia teosten osittaiseen valokopiointiin myöntää tekijöiden ja kustantajien valtuuttamana KOPIOSTO ry. Muuhun käyttöön luvat on kysyttävä suoraan kunkin teoksen oikeudenhaltijoilta. JULKAISIJA KUSTANTAJA JA MYYNTI Teknologiateollisuus ry Teknologiainfo Teknova Oy Eteläranta 10, 4. krs 00130 HELSINKI puh. (09) 19231/julkaisumyynti www.teknologiainfo.net ISBN 951-817-918-2 ISBN 951-817-743-0 (Raaka-ainekäsikirja -sarja) Teknologiateollisuuden julkaisuja 5/2006 Teknologiainfo Teknova Oy Kannen kuva: Nordic Aluminium Oy (profiilit), Ruukki Metals (nauha- ja levykelat), Alteams Oy (Instrumentarium, röntgenlaitteen valuosia) Taitto: Digital Image Group Oy Painopaikka: Tammer-Paino Oy, Tampere, 2006 2
Esipuhe Raaka-ainekäsikirjasarjaan kuuluu viisi osaa: 1 Muokatut teräkset, 2 Valuteräkset ja valuraudat, 3 Kuparimetallit, 4 Muovit ja Kumit sekä 5 Alumiinit. Osien 1 4 ensimmäiset painokset ilmestyivät vuonna 1984 ja painokset uudistettiin kokonaisuudessaan vuonna 2001. Uudistamistyöhön liittyi myös sarjan täydentäminen viidennellä osalla Alumiinit, jonka 1. painos valmistui vuonna 2002. Kussakin osassa on annettu rakenneaineiden valintaan, käyttö- ja valmistusominaisuuksiin, hintoihin ja kustannuksiin sekä hankintaan liittyvät tiedot. Käsikirjaan otettujen rakenneaineiden valintaohjeet on laadittu ottaen huomioon tekniset ja taloudelliset perusteet. Suunnittelua ja mitoitusta on kuvattu lukuisin esimerkein. Suurin osa tiedoista on esitetty tiiviisti kuvina, kaavioina ja taulukoina. Kunkin rakenneaineen tiedot on pyritty jäsentelemään mahdollisimman samalla tavalla. Hakemistot ja selkeä otsikointi helpottavat tarvittavan tiedon nopeaa löytämistä. Lähdekirjallisuudesta löytyvät viittaukset kutakin rakenneainetta syvällisemmin esitteleviin teoksiin. Osan 5 Alumiinit pohjana on ollut ruotsinkielinen SIS Handbok 12: Aluminium. Osan laadinnasta ja muokkaamisesta suomalaiselle lukijakunnalle on vastannut työryhmä, johon ovat kuuluneet Kari Huhtaniemi, Max Jerima, Juhani Pohjus, Markku Puska, Tapani Vierimaa, Antti Karppinen ja Mika Vartiainen. Työryhmän jäsenet edustivat alan merkittäviä toimijoita Rautaruukki Oyj Ruukki Metalsia, Mäkelä Alu Oy:tä, Nordic Aluminium Oyj:tä, Purso Oy:tä sekä Teknologiateollisuus ry:tä. Alumiinit-osan 2. painokseen on tehty uusien ja uusittujen standardien edellyttämät muutokset ja päivitetty tilastotietoja. Kiitämme Teknologiateollisuus ry:n Alumiinituotteet-toimialaryhmän aktiivisia jäseniä saamastamme avusta ja palautteesta. Toivomme, että käsikirja toimii edelleen suunnittelu- ja tuotantotehtävissä olevien jokapäiväisenä työkaluna ja teknisen alan opiskelijoiden hakuteoksena. Helsingissä elokuussa 2006 Teknologiateollisuus ry 3 Alumiinin valmistus
Sisällysluettelo 4 1 Alumiini... 8 1.1 Perustietoja alumiinista... 12 1.1.1 Alumiinin kulutus ja käyttö... 13 1.1.2 Alumiinituotanto Länsi-Euroopassa... 15 1.1.3 Suomalainen alumiiniteollisuus... 15 1.1.4 Pohjoismainen alumiiniteollisuus... 17 1.2 Alumiinin käyttökohteet... 18 1.2.1 Rakentaminen... 18 1.2.2 Kuljetusvälineet... 20 1.2.3 Pakkausmateriaalit... 25 1.2.4 Konepajateollisuus... 27 1.2.5 Sähköteollisuus... 27 1.2.6 Urheiluvälineet... 28 1.2.7 Ilmailu ja avaruusteknologia... 28 1.3 Alumiini ja ympäristö... 29 2 Alumiinin valmistus... 30 2.1 Bauksiitti... 30 2.2 Alumiinin valmistus bauksiitista... 31 2.2.1 Bayerin prosessi... 32 2.2.2 Hall-Héroult -menetelmä... 33 2.3 Primäärialumiini... 36 2.4 Alumiiniharkot ja -aihiot... 36 2.5 Erittäin puhdas alumiini... 37 2.6 Raaka-aineen ja energian käyttö... 37 2.7 Alumiinin kierrätys... 37 3 Puolivalmisteiden valmistus... 39 3.1 Valssaus- ja pursotusaihiot... 39 3.2 Levyt ja nauhat... 39 3.2.1 Kuumavalssaus... 40 3.2.2 Nauhavalu... 41 3.2.3 Kylmävalssaus... 42 3.2.4 Valssattavat seokset... 42 3.2.5 Kerroslevyt... 44 3.3 Muovipinnoitus ja rullamuovaus... 44 3.4 Profiilit, tangot ja putket... 46 3.4.1 Avoprofiilit... 47 3.4.2 Ontot profiilit... 47 3.4.3 Profiilikoot... 49 3.5 Lanka... 50 3.6 Alumiinifolio... 51 3.6.1 Folionvalssaus... 51 3.6.2 Folioseokset... 52 3.6.3 Alumiinifolion ominaisuuksia... 53 4 Alumiiniseokset... 55 4.1 Muokattavat seokset... 55 4.1.1 Seostamaton alumiini (puhdas alumiini)... 55 4.1.2 Karkenemattomat seokset... 56 4.1.3 Karkenevat seokset... 58 4.2 Valuseokset... 59 4.2.1 Karkenemattomat valuseokset... 60 4.2.2 Karkenevat valuseokset... 60 4.3 Alumiiniseosten nimikejärjestelmä... 61 4.3.1 Alumiinien numeeriset nimikkeet... 62 4.3.2 Kemialliseen koostumukseen perustuvat nimikkeet... 62 4.4 Tilojen tunnukset... 63 4.4.1 Tilojen päätunnukset... 63 4.4.2 O-tilan alaluokitus... 64 4.4.3 H-tilan alaluokitus... 64 4.4.4 T-tilan alaluokitus... 65
4.5 Muokattavien seosten luokittelu pääseosaineiden mukaan... 66 4.5.1 Karkenemattomat seokset... 66 4.5.2 Karkenevat seokset... 69 4.6 Muokattavien seosten ominaisuudet... 72 4.6.1 Kemiallinen koostumus... 72 4.6.2 Mekaaniset ominaisuudet... 73 4.6.3 Fysikaaliset ominaisuudet... 75 5 Lujuusominaisuudet... 78 5.1 Ominaisuudet korotetuissa lämpötiloissa... 78 5.1.1 Virumislujuus... 78 5.1.2 Kuumalujuus... 79 5.1.3 Lujuus huoneenlämpötilassa kuumentamisen jälkeen... 79 5.2 Lujuus matalassa lämpötilassa... 80 5.3 Kimmomoduuli korkeassa ja matalassa lämpötilassa... 81 5.4 Väsymislujuus... 81 6 Standardisointi... 83 6.1 SFS-standardit... 83 6.2 Eurooppalainen standardisointi... 83 6.2.1 Yleisstandardit... 83 6.2.2 Tuotestandardit... 84 6.3 Vahvistetut eurooppalaiset standardit... 85 7 Lämpökäsittely... 93 7.1 Uunit... 93 7.2 Pehmeäksihehkutus... 93 7.3 Karkaisu... 95 7.3.1 Liuotushehkutus... 95 7.3.2 Vanhentaminen... 96 8 Korroosio...100 8.1 Luonnollisen oksidikerroksen muodostuminen...100 8.1.1 Sään vaikutus oksidikerrokseen...100 8.1.2 Oksidikerros... 102 8.2 Tavallisimmat korroosiomuodot... 102 8.2.1 Yleinen korroosio... 103 8.2.2 Galvaaninen korroosio... 103 8.2.3 Pistekorroosio... 106 8.2.4 Rakokorroosio... 107 8.2.5 Kerroskorroosio... 108 8.2.6 Jännityskorroosio... 108 8.2.7 Rihmakorroosio... 108 8.2.8 Hiertymiskorroosio... 109 8.3 Alumiini eri ympäristöissä... 109 8.3.1 Alumiini ilmassa... 109 8.3.2 Alumiini vedessä... 110 8.3.3 Alumiini maaperässä... 111 8.3.4 Alumiini ja rakennusmateriaalit... 112 8.3.5 Alumiini ja kemikaalit... 112 8.3.6 Alumiini ja muut metallit... 113 8.3.7 Alumiini ja puu... 113 8.3.8 Seoskoostumuksen vaikutus... 114 8.3.9 Korroosionkestävyys eri aineiden yhteydessä... 114 9 Pintakäsittely... 124 9.1 Pinnat... 124 9.1.1 Valssatun materiaalin pinta... 124 9.1.2 Pursotetun materiaalin pinta... 126 9.2 Mekaaninen pintakäsittely... 126 9.2.1 Hionta ja kiillotus... 126 9.2.2 Rummutus... 129 9.2.3 Kuulapuhallus... 130 9.3 Kemiallinen pintakäsittely... 130 9.3.1 Rasvanpoisto... 130 9.3.2 Peittaus ja kiiltopeittaus... 130 5
6 9.3.3 Reaktiopinnoitus... 130 9.3.4 Kemiallinen niklaus... 131 9.4 Sähkökemiallinen pintakäsittely... 131 9.4.1 Anodisointi... 132 9.4.2 Värjäysmenetelmät... 136 9.4.3 Tiivistys... 138 9.4.4 Anodisoidun alumiinin ominaisuudet... 140 9.4.5 Anodisoitujen pintojen ylläpito ja puhdistus... 140 9.5 Maalaaminen... 140 9.5.1 Esikäsittely... 141 9.5.2 Maalaus... 141 9.5.3 Jauhemaalaus... 142 9.5.4 Nauhamaalaus... 143 9.5.5 Folion pinnoitus... 144 9.5.6 Maalipinnoitteen testaus... 144 9.6 Kunnossapito ja puhdistaminen... 145 10 Taivutus... 146 10.1 Levyn ja nauhan taivutus... 147 10.2 Taivutettavuus... 148 10.2.1 Materiaalin lujuus... 149 10.2.2 Materiaalin mitat ja muodot... 149 10.2.3 Taivutuksen suoritustapa... 149 10.3 Takaisinjousto... 150 10.4 Pintakäsittelemättömän alumiinin taivutus... 152 10.4.1 Levyt ja nauhat... 152 10.4.2 Tangot, putket ja profiilit... 152 10.5 Pintakäsitellyn alumiinin taivutus... 153 10.6 Pintakäsittelemättömän alumiinin kuumataivutus... 154 10.7 Toimenpiteet ennen taivutusta... 154 10.7.1 Manuaalinen taivutus... 155 10.7.2 Mekanisoitu taivutus... 156 11 Syvävetäminen... 159 11.1 Syvävedon työkalut... 159 11.2 Syväveto... 159 11.3 Venytysvetäminen... 160 11.4 Venytystaivuttaminen... 161 12 Lastuava työstö... 162 12.1 Pinnat... 162 12.2 Sorvaaminen... 162 12.3 Timantin käyttö lastuamistyökaluissa... 166 12.4 Jyrsiminen... 167 12.4.1 Timanttisen leikkausterän työstöarvot... 168 12.4.2 Jyrsinnän työkalut ja työstöarvot... 168 12.5 Automaattityöstö... 169 12.5.1 Automaattityöstön työstöarvot... 169 12.5.2 Automaattiseokset... 169 12.6 Suurnopeustyöstö... 172 12.6.1 Suurnopeustyöstön edut... 174 12.6.2 Työkalumateriaalit... 175 12.7 Poraaminen... 175 12.8 Sahaaminen... 176 12.9 Kierteittäminen... 178 12.10 Lastuamisnesteet... 178 12.11 Lävistäminen... 179 12.11.1 Lävistystapoja... 179 12.11.2 Alumiinin lävistystiedot... 181 13 Mekaaninen liittäminen... 183 13.1 Niittaaminen... 183 13.1.1 Niittauksen suorittaminen... 183 13.1.2 Umpiniitti... 185 13.1.3 Piiloniitti... 187 13.1.4 Puristusniittaus... 187
13.2 Ruuvaus... 188 13.2.1 Ruuvimateriaalit... 188 13.2.2 Ruuvityypit ohuille materiaaleille... 188 13.3 Saumaus... 191 13.4 Muovaava liittäminen... 192 14 Hitsaus ja hitsausprosessit... 193 14.1 Alumiinin hitsaus... 193 14.2 Hitsausprosessit... 193 14.3 Sulahitsaus... 194 14.3.1 Kaasuhitsaus... 194 14.3.2 Puikkohitsaus... 194 14.3.3 TIG-hitsaus... 195 14.3.4 MIG-hitsaus... 196 14.3.5 Plasmahitsaus... 197 14.3.6 Elektronisuihkuhitsaus... 198 14.3.7 Laserhitsaus... 198 14.3.8 Kuonahitsaus... 199 14.3.9 Termiittihitsaus... 200 14.4 Puristushitsaus... 200 14.4.1 Vastushitsaus... 200 14.4.2 Leimuhitsaus... 201 14.4.3 Tapitushitsaus... 202 14.4.4 Ultraäänihitsaus... 202 14.4.5 Kitkahitsaus... 203 14.4.6 Kitkahitsaus pyörivällä työkalulla (FSW)... 204 14.4.7 Kylmäpuristushitsaus... 204 14.4.8 Kuumapuristushitsaus... 205 14.4.9 Räjähdyshitsaus... 205 14.4.10 Diffuusiohitsaus... 205 14.4.11 Induktiohitsaus... 206 15 Leikkausmenetelmät... 207 15.1 Plasmaleikkaus... 207 15.2 Laserleikkaus... 208 15.3 Vesileikkaus... 209 16 Valaminen... 210 16.1 Valumenetelmät... 210 16.1.1 Hiekkavalu... 210 16.1.2 Kipsimuottivalu... 212 16.1.3 Tarkkuusvalu... 212 16.1.4 Kokillivalu... 213 16.1.5 Painevalu... 214 16.1.6 Puristusvalu... 215 16.2 Valumenetelmän valinta... 215 16.3 Valuseokset... 216 16.3.1 Valuseosten ryhmittely... 218 16.3.2 Erikoisseokset... 219 16.3.3 Valuseoksen valinta... 220 16.3.4 Fysikaaliset ominaisuudet... 220 16.3.5 Korroosionkestävyys... 221 16.4 Lämpökäsittely... 221 16.5 Lastuttavuus... 222 16.6 Sulan käsittely... 223 16.7 Valujen hitsaus... 223 16.8 Kuitu- ja partikkelilujitetut valut... 224 16.9 Alumiinivalujen etuja... 224 17 Kirjallisuutta... 226 17.1 Internet-osoitteita... 226 17.2 Kirjallisuutta... 226 18 Hakemisto... 230 7