Materiaalinvalinta
Materiaalin valinta Miksi tärkeää? Keskeinen kustannustekijä Tuotteen painon hallinta Laatutekijä Toiminta erilaisissa olosuhteissa Ongelmat! Teräksinen maailma Valmistustekniikka ja valmistusvirheet Materiaalin lämpö- ja/tai pintakäsittely Käyttöaika Ympäristön hallinta
Materiaalien pääluokat
Metallit suht. suuri kimmomoduuli voidaan lujittaa seostamalla, lämpökäsittelemällä ja muokkaamalla yleensä sitkeitä väsyminen tyypillinen ilmiö Keraamit ja lasit suuri kimmomoduuli hauraita (erityisesti vetokuormituksessa), murtuvat helposti jännityskeskittymien takia kovia, kulumista ja korkeita lämpötiloja kestäviä yleensä korroosiovapaita
Polymeerit ja elastomeerit monessa suhteessa metallien vastakohtia pieni kimmomoduuli (n. E met /50) lämpötilalla voimakas vaikutus - viruminen jopa huoneenlämpötilassa - eivät juuri kestä yli 200 C:n lämpötiloja - 0 C:n alapuolella saattavat olla hauraita helppo muovata soveltuvat massatuotantoon pieni kitkakerroin ei yleensä korroosio-ongelmia
Komposiitit yhdistelmiä materiaaliryhmistä yleensä polymeerimatriisi ja lujitteena lasi-, hiili- tai aramidikuitu myös metalli- ja keraamikomposiitteja yleensä kevyitä ja lujia voidaan valmistaa myös sitkeiksi komposiittiosat kalliita vaikeahkoja valmistaa ja liittää muihin rakenteisiin käytetään kevytrakennetekniikassa
Materiaalien perusominaisuudet Metallit Keraamit Polymeerit Komposiitit Lujia Jäykkiä Sitkeitä Sähköä johtavia Lämpöä johtavia Kovia Jäykkiä Hauraita Kulumista kestäviä Kuumalujia Melko lujia Joustavia Kestäviä Muotoiltavia Lämpötilaherkkiä Lujia Jäykkiä Kevyitä Monipuolisia Lämpötilaherkkiä
Materiaaliominaisuudet Tiheys lujuuden kimmokertoimen suhde tiheyteen (esim. / ) tai kimmokertoimen suhde tiheyteen (E/ ) merkitystä myös, koska materiaalin hinta määritellään kilohintana Kimmokerroin E kuvaa jännityksen ja muodonmuutoksen suhdetta seostus tai lämpökäsittely ei juuri vaikuta kimmokertoimeen jäykkyys on verrannollinen materiaalin kimmokertoimeen
Suhteellinen taivutusvastus (poikkileikkauksen ala on sama)
Suhteellinen vääntövastus (poikkileikkauksen ala on sama)
Suhteellinen nurjahduspituus (poikkileikkauksen ala on sama)
Pituuden lämpötilakerroin jos rakenteessa on eri materiaaleista valmistettavia osia, lämpötilanmuutosten aiheuttamat siirtymät ja rasitukset tulee tarkistaa lämpölaajenemisen vaikutukset tulee ottaa huomioon myös hitsauksessa ja lämpökäsittelyissä Lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti c metallien lämmönjohtavuus on parempi kuin polymeerien tai keraamien kupari- ja alumiiniseokset johtavat lämpöä hyvin austeniittisten ruostumattomien terästen lämmönjohtokyky on huono c ilmaisee kyvyn varastoida lämpöä
Lujuus myötöraja, murtolujuus, väsymislujuus, viruminen murtolujuus:
Sitkeys materiaalin käyttäytyminen murtumistilanteessa murtovenymä, murtumiseen kulunut energia yleensä lujuutta kohottavat tekijät alentavat sitkeyttä sitkeä/hauras murtuma Kovuus Brinell, Rockwell, Vickers metalleilla kovuus ja murtolujuus riippuvat toisistaan kulumiskestävyys yleensä paranee kovuuden kasvaessa
Kuluminen adheesiokuluminen abraasiokuluminen väsymiskuluminen tribokemiallinen kuluminen Korroosio sähkökemiallinen tai kemiallinen reaktio tasainen korroosio paikallinen korroosio: kuoppakorroosio rakokorroosio raerajakorroosio galv. korroosio
Materiaalien tuotanto maailmassa (tilastot vaihtel. 2008-2011) Materiaali Tuotanto (10 6 kg = 1000 t) Teräs Rauta Muovit Alumiini Mangaani Kupari Lyijy Kromi Nikkeli Tina Uraani Hopea Kulta 1 400 000 1 200 000 34 300 38 000 14 300 15 300 3 500 4 600 1 500 272 19 21 2,2
Materiaalien menekki markkinoilla
Materiaalien vaatimukset Toimintojen vaatimukset muodon säilyttäminen kuorman kanto energian sitominen lämmönjohtokyky sähkönjohtokyky ulkonäkö paino status (öljysäiliö) (nostokoukku) (jousi, vauhtipyörä) (kattilalevy) (johdin) (auto) (lentokone) (Rolls Royce) Käyttöolosuhteiden vaatimukset lämpötila ja sen vaihtelut (lujuus, sitkeys, mikrorakenne) lämpötila ja aika (viruminen) ympäristö (ilmasto, kemiallinen / sähköinen ympäristö, säteily)
Valmistusmenetelmien vaatimukset materiaali (lujuus, sitkeys, kovuus) kappaleen koko ja muoto tuotantomäärä kappaleen toleranssit ja pinnanlaatu käytettävissä olevat valmistusmenetelmät (omat, alihankinta) Materiaalikustannukset suorat valmistuskustannukset - materiaalikulut - työkustannukset - lämpökäsittelykustannukset - viimeistelykustannukset varastointikustannukset - pääomakulut - käsittelykulut - testauskulut
Materiaalikustannusten osuus Työstökoneet, keskiraskaat Pienehköt laitteet Höyryturbiinit, alle 20 MW Työstökoneet, raskaat Höyryturbiinit, yli 20 MW Paikalliset dieselmoottorit Vesiturbiinit Rautatien henkilövaunut Suurehkot laitteet Rautatien tavaravaunut Henkilöautot Nosturit 0 20 40 60 80 100 %
Tuotteiden yksikköhintoja Puunjalostus- ja terästeollisuus sellu, sahatavara, paperi, teräs Raskas koneteollisuus paperikoneet, dieselmoottorit, pumput, autot Kevyt koneteollisuus kodinkoneet ja -laitteet, polkupyörät, työkalut 0,5...10 eur/kg 10...50 eur/kg 15...150 eur/kg Elektroniikka, vapaa-aika, lääketieteellinen tekniikka tietokoneet, golfmailat, matkapuhelimet, silmälasit 100... 10 000 eur/kg
Materiaalien hintoja Teräs Ruostumaton teräs Alumiini Kupari Messinki Keraami Al 2 O 3 PVC POM (>PA) PTFE (teflon) 3 eur/kg 8-10 eur/kg 10 eur/kg 20 eur/kg 20 eur/kg 100 eur/kg 10 eur/kg 15-20 eur/kg 50 eur/kg
Teräkset Merkintä SFS-EN 10027-1:n mukaan 1 Käyttötarkoitukseen ja mekaanisiin tai fysikaalisiin ominaisuuksiin perustuva järjestelmä tavallisimmat tunnukset: S rakenneteräs P paineastiateräs L putkiteräs E koneteräs valetun teräksen tunnuksen eteen G-kirjain tunnuksen perään myötölujuuden R e vähimmäisarvo (N/mm2) esim. S235, E295 lisätunnuksilla ilmoitetaan mm. iskusitkeys, toimitustila ja käyttökohde esim. S355J2G3
Iskusitkeys Koelämpötila Iskuenergia jouleina (J) C 27 J 40 J 60 J 20 JR KR LR 0 JO KO LO -20 J2 K2 L2-30 J3 K3 L3-40 J4 K4 L4-50 J5 K5 L5-60 J6 K6 L6
2 Kemiallisen koostumuksen mukaan seostamattomat teräkset tunnus C, jonka perään liitetään hiilipitoisuuden prosenttiarvo kerrottuna 100:lla seostamattomat teräkset, joiden mangaanipitoisuus 1 %, seostamattomat automaattiteräkset ja seosteräkset, joilla jokaisen seosaineen pitoisuus on < 5 % hiilipitoisuuden prosenttiarvo x100 seosaineiden tunnukset (pitoisuuksien aleneva järjestys) seosaineiden pitoisuustunnukset seosteräkset (paitsi pikateräkset) kirjain X hiilipitoisuuden prosenttiarvo x100 seosaineiden tunnukset (pitoisuuksien aleneva järjestys) seosaineiden pitoisuustunnukset
Nuorrutusteräkset (SFS-EN 10083) nuorrutus on lämpökäsittely, jossa teräs karkaistaan ja päästö suoritetaan lämpötila-alueella 500...700 C erinomainen lujuuden, sitkeyden ja väsymislujuuden yhdistelmä 2 C45 R e = 370 N/mm2 R m = 630...780 N/mm2 25 CrMo 4 R e = 450 N/mm2 R m = 700...850 N/mm2 42 CrMo 4 R e = 650 N/mm2 R m = 900...1100 N/mm2 34 CrNiMo 6 R e = 800 N/mm2 R m = 1000...1200 N/mm2 ( 40 mm < d < 100 mm) käyttökohteita akselit, akselikytkimet ja kiertokanget hammasakselit ja suuret hammaspyörät ruuvit ja mutterit
Nuorrutusteräkset, booriteräkset lujat pultit ketjut kulutusosat
Hiiletysteräkset hiiletyskarkaisussa pintaan muodostuu ohut runsaasti hiiltä sisältävä pintakerros hyvä pinnan kulumis- ja väsymiskestävyys sekä taivutuslujuus 21NiCrMo2 R e = 490 N/mm2 R m = 740...1030 N/mm2 16MnCr5 R e = 590 N/mm2 R m = 790...1080 N/mm2 20MnCr5 R e = 690 N/mm2 R m = 980...1280 N/mm2 20NiCrMo5 R e = 690 N/mm2 R m = 1030...1370 N/mm2 17CrNiMo6 R e = 780 N/mm2 R m = 1080...1330 N/mm2
Ruostumattomat teräkset (SFS-EN 10088-1...3) kestävät hyvin korroosiota sitkeitä matalissa lämpötiloissa X2CrNi 18 10 R p0,2 = 190 N/mm2 R m = 460...640 N/mm2 X4CrNi 18 9 R p0,2 = 210 N/mm2 R m = 490...690 N/mm2 X2CrNiMo 17 12 R p0,2 = 210 N/mm2 R m = 490...690 N/mm2 X4CrNiMo 17 12 R p0,2 = 220 N/mm2 R m = 490...690 N/mm2 X2CrMoTi 18 2 R p0,2 = 340 N/mm2 R m = 440...640 N/mm2 käyttökohteita putket, säiliöt, venttiilit ruokailuvälineet, pesualtaat prosessiteollisuuden koneet ja laitteet kuljetussäiliöt
Valuraudat Suomugrafiittirauta halpa hyvät valuominaisuudet ja työstettävyys hyvä vaimennuskyky EN 1561 SFS 4855 (vanha std) Min. murtolujuus R m (N/mm2) GJL-200 200 GRS 200 GJL-250 250 GRS 250 GJL-300 300 GRS 300 GJL-350 350 GRS 350 käyttökohteita: koneiden rungot, venttiilit ja putket, kannet ja säiliöt, sylinterit ja johteet, jarrurummut ja -levyt
Dieselmoottorin sylinterilohko Valmet / Rautpohja Massa 40 t Materiaali GRS 250
Pallografiittirauta lujuusominaisuudet paremmat kuin suomugrafiittiraudalla lämpökäsitellään haluttujen ominaisuuksien saamiseksi EN 1563 SFS 2113 (vanha std) Murtolujuus R m (N/mm2) Myötöraja R p0,2 (N/mm2) GJS-400 400 250 GRP 400 GJS-500 500 330 GRP 500 GJS-600 600 390 GRP 600 GJS-700 700 440 GRP 700 GJS-800 800 500 GRP 800 käyttökohteita: hammaspyörät, kantopyörät, runkorakenteet, ajoneuvojen voimansiirtorakenteet
Pallografiittirautaosia autoteollisuudelle
Kymenite-ADI:n, valurautojen, valuterästen ja terästen teknisiä tietoja Laatu Myötölujuus (N/mm2) Murtolujuus (N/mm2) Murtovenymä (%) Kovuus (HB) K-9007 730 900 7 280...310 K-10005 800 1000 5 300...350 K-12003 1000 1200 3 380...430 GRP 700 440 700 2 230...300 GRP 800 500 800 2 250...320 GS-52 260 520 18 220...260 G-25CrMo4-08 590 780 10 240...290 S355, Fe 52 C 340 630 21 < 200 17 CrNiMo 6 690...830 980...1400 7...8 240...435 42 CrMo 4 590...690 780...1080 12...14 240...330
ADI-valurautoja (Austempered Ductile Iron) Laatu Myötölujuus (N/mm2) Murtolujuus (N/mm2) Murtovenymä (%) Kovuus (HB) Kymenite-ADI K-9007 700 900 7 280...310 K-10005 800 1000 5 300...350 K-12003 1000 1200 3 380...430 EN 1564 800-8 500 800 8 260...320 1000-5 700 1000 5 300...360 1200-2 850 1200 2 340...440 1400-1 1100 1400 1 380...480 ASTM 897M 850 550 850 10 269...321 1050 700 1050 7 302...363 1200 850 1200 4 341...444 1400 1100 1400 1 388...477 1600 1300 1600-444...555
Kymenite-ADI -osia Jousenkorvia K-10005
Hammaspyöriä K-12003 K-9007 K-10005
Kantopyörät, jarrulevyt
Alumiinit keveitä hyvä korroosionkestävyys hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus erikoisseokset lujia alumiiniprofiilit edullinen valmistusmenetelmä aihio pursotetaan muotoillun profiilityökalun läpi alumiinivalut keveitä sitkeitä hyvä lastuttavuus
Alumiiniprofiilien seoksia Kimmomoduuli E 70 000 N/mm 2 Seos Myötölujuus (N/mm2) SFS 2554 Al 99,5 AlMg2,5 E-AlMgSi AlSi1Mg AlSi1MgPb AlZn5Mg1 20 80 180 260 180 280 Alumiinivaluseoksia Seos SFS 2550 G-AlCu4Ti G-AlSi12 G-AlSi10Mg G-AlSi8Cu3Fe G-AlSi7Mg G-AlMg3 Myötölujuus (N/mm2) 200 80 190 160 200 70 Murtolujuus (N/mm2) 70 180 220 300 280 330 Murtolujuus (N/mm2) 250 160 220 240 250 150 Murtovenymä A 5 (%) 23 14 10 8 8 10 Murtovenymä A 5 (%) 3 3 1 0,5 3 4 Kovuus (HB) 18...25 35...45 65...75 95...115 85...95 115...125 Kovuus (HB) 95...110 50...60 85...115 80...110 80...105 50...60
Kupariseokset liukulaakerit tärkeimpiä sovelluskohteita Yleisimpiä kuparimetalleja Seos SFS 2550 CuZn39Pb3 Lyijymessinki CuZn35Mn2AlFe Erikoismessinki CuSn6 Tinapronssi Tärkeimmät tuotteet Ruuvit, mutterit, taokset, venttiilit, liittimet Akselit, männänvarret, hammaspyörät, ruuvit, mutterit, venttiilit Jouset, kytkimen osat, helat, pumppujen ja venttiilien osat (N/mm2) 250... 430 270... 440 390... 490 (N/mm2) 430... 520 470... 590 470... 550 Myötölujuus Murtolujuus Murtovenymä A 5 (%) Kovuus (HB) 15...30 115... 155 15...30 135... 170 15...40 -
Yleisimpiä kuparimetalleja (jatkoa) Seos SFS 2550 GK-CuZn40Pb Lyijymessinki GS-CuSn12 Tinapronssi GS-CuPb10Sn10 Lyijytinapronssi GS-CuAl10Fe3 Alumiinipronssi Tärkeimmät tuotteet Helat, kojeiden osat, lukot, koriste-- esineet, yleiset rakenneosat Hammas- ja kierukkapyörät, kytkinkappaleet, liukukiskot, liukulaakerit Raskaasti kuormitetut liukulaakerit (reunapaine) Nosturipyörät, holkit, hammaspyörät, liukulaakerit Myötölujuus (N/mm2) Murtolujuus (N/mm2) Murtovenymä A 5 (%) Kovuus (HB) 120 280 15 70 160 280 12 95 80 180 7 65 180 500 13 115
Keraamien ominaisuuksia Materiaali Kovuus Tiheys Murtositkeys Kimmokerroin Lämmönjohtavuus HV MPa m GPa g/mm 3 W/mK Al 2 O 3 (sintr.) 1650 1 3 370 3,8 29,3 PSZ MgO (sintr.) 1100 8 12 205 5,7 3,2 PSZ Y2 O 3 (sintr.) 1200 4 10 205 6,0 1,7 SiC (sintr.) 3000 3,2 430 3,2 110 Si 3 N 4 (sintr.) 1500 4 7 285 3,2 15,5 Si 3 N 4 (kuumap.) 1350 6 8,5 310 3,2 30...40 Teräs 100Cr6 750 210 7,8 Al 2 O 3 PSZ SiC Si 3 N 4 Alumiinioksidi Zirkonioksidi (osittain stabiloitu) Piikarbidi Piinitridi
Keraamien käyttökohteita työkalujen teräpalat tiivistimet laakerit
Muovit Muovilaatu Polyeteeni, PE Polyvinyylikloridi, PVC Polypropeeni, PP Polystyreeni, PS Autonosat, laatikot, sähköeristekomponentit Akryylinitriilibutadieenistyreeni, ABS Polykarbonaatti, PC Polyamidi, PA 66 Polytetrafluorieteeni, PTFE Polyasetaali, POM Käyttökohteita Putket, taloustavarat Pesuainepullot, putket, profiilit Pakkaukset, kertakäyttölasit, solumuovi (Styrox) Autonkorit, veneet, puhelimet, talouskoneet, huonekalut, legot, vaateripustimet Turvalasit, suojakypärät, releet, linssit Hammaspyörät, laakerit, ruuvit, sukkahousut Liukulaakerit, pinnoitteet, putket Liukulaakerit, hammaspyörät, ruuvit
Muovien lujuusarvoja Tiheys g/cm 3 N/mm 2 N/mm 2 Kimmokerroin Murtolujuus Murtovenymä % Korkein käyttölämpötila C Pituuden lämpötilakerroin 1/ C PE 0,95 1000 30 500 + 90 180 10-6 PVC 1,40 3000 50 30 + 80 100 10-6 PP 0,90 1200 30 500 + 120 100 10-6 PS 1,06 3000 60 2 + 70 60 10-6 ABS 1,03 2000 30 30 + 80 100 10-6 PC 1,20 2500 60 100 + 120 60 10-6 PA 66 1,14 1200 70 300 + 100 80 10-6 PTFE 2,20 400 20 300 + 290 100 10-6 S355 7,85 210000 490 20 + 350 12 10-6
Muovien hintoja Muovi Kilohinta (eur/kg) Tiheys (g/cm 3 ) Kappaleen koko 10 10 10 cm 3 PVC (GE 7011 harmaa) 10 1,40 71,40 Polyasetaali (POM Delrin) 13 1,42 106,50 Polyamidi (nailon 65A) 13 1,15 87,40 Polyamidi (nailon LFX öljyseosteinen) 22 1,15 154,10 PTFE (teflon) 35 2,18 457,80 PTFE-25 GF (25 % lasia) 50 2,23 669,00 Giba tool mallimuovi 10 0,70 39,90
Kertamuovit Muovilaatu Fenolimuovit, PF Epoksimuovit, EP Karbamidimuovit, UF Melamiinimuovit, MF Polyesterit, UP Polyuretaani, PUR Käyttökohteita Jäykkä ja tumma. Kotelot, hammaspyörät, pumpunosat, liukulaakerit, sähkörasiat. Erinomainen tarttuvuus muihin materiaaleihin. Liima, lakka, valumateriaali sähkölaitteiden kotelointiin, muovibetoni, metallipinnoite. Kova, jäykkä, laaja värivalikoima. Virtakytkimet, kotelot, liimat, lakat. Kova, jäykkä, laaja värivalikoima, elintarvikemuovi. Taloustarvikkeet, suppilot, kotelot, tietokoneenosat, liimat, lakat. Valmistetaan lasikuitulujitteisia lujitemuoveja: veneet, säiliöt, pinnoitteet. Kulutuspinnat, ketjupyörät, telapäällysteet.
Kertamuovien lujuusarvoja Tiheys g/cm 3 N/mm 2 N/mm 2 Kimmokerroin Murtolujuus Murtovenymä % Korkein käyttölämpötila C Pituuden lämpötilakerroin 1/ C PF 1,30 6000 50 1 + 120 40 10-6 EP 1,30 2500 60 5 + 200 50 10-6 UF 1,50 10000 60 1 + 80 30 10-6 MF 1,80 13000 40 0,4 + 160 30 10-6
Lujitteet Kuitu Tiheys Kimmokerroin Vetolujuus Murtovenymä Filamentteja g/cm 3 N/mm 2 N/mm 2 % Kpl SM-hiilikuitu 1,8 235 000 4600 1,9 12 000 HM-hiilikuitu 1,82 400 000 3500 0,7 12 000 S-lasi 2,5 85 000 4500 4 7 kuitu Yhdensuuntaislaminaatti (epoksimatriisi) E-lasi 2,6 72 000 3600 4 7 Erillis- Lujitepitoisuus Hiili 1,5 130 000 2200 60 t-% Aramidi 1,35 75 000 1400 60 t-% E-lasi 2,0 45 000 1100 60 t-% S-lasi 1,95 50 000 1500 60 t-%
Vertailuluvut painon ja materiaalikustannusten optimointiin (E kimmokerroin, G liukukerroin, jännitys (max), tiheys) Rakenteen kuormitus Vetosauva (pituus ja muoto määrätty, pinta-ala valinnainen) Jäykkyyden vertailuluku (max) E / Lujuuden vertailuluku (max) / Vääntösauva (pituus ja muoto määrätty, pinta-ala valinnainen) G 1 2 2 / 3 / Taivutuspalkki (pituus ja muoto määrätty, pinta-ala valinnainen) E 1 2 2 / 3 / Stabiliteetti (lommahdus, kiepahdus) (pituus määrätty, pinta-ala valinnainen) E 1 2 / / Levy (poikittainen kuormitus) (pituus ja leveys määrätty, paksuus valinnainen) E 1 1 3 / 2 / Pyörivä levy (vauhtipyörä) (energia määrätty) - / Paineistettu säiliö E / / (paine ja säde määrätty, seinämä valinnainen) Kustannusten minimoinnissa vertailuluku jaetaan kilohinnalla (eur/kg)
Material ConneXion
http://www.aluminiumdesign.net/extrusion-design-guide.html