Ei-rautametallit

Alumiini
Kuparimetallit
Titaani ja titaaniseokset
Nikkeli ja nikkeliseokset
Magnesiumseokset
Sinkkiseokset

VMV / Materiaaliryhmät / Ei-rautametallit / Alumiini /

Alumiini

Alumiinia ja alumiiniseoksia käytetään sekä valettuina, pursotettuina että muokattuina valmisteina. Seostuksella voidaan vaikuttaa oleellisesti alumiinin lujuusominaisuuksiin. Tavallisimmat seosaineet ovat kupari, pii (silumiinit), magnesium (duralumiinit) ja sinkki. SFS-standardeissa 2550 (valettavat) ja 2554 (muokattavat) on esitetty yleiskatsaus alumiiniseoksista. Alumiiniseokset voidaan jaotella karkenemattomiin ja karkeneviin muokattaviin ja valettaviin seoksiin. Taulukossa alla on esitetty alumiiniseosten eri seosaineiden vaikutus seoksen ominaisuuksiin.

Seosaine

Vaikutus ominaisuuksiin

Kupari (Cu)

Tekee seoksista karkenevia, siis lisää lujuutta ja kovuutta, haitallinen vaikutus korroosionkestävyyteen

Pii (Si)

Alentaa sulamispistettä ja parantaa juoksevuutta, yhdessä magnesiumin kanssa antaa tulokseksi karkenevia seoksia, joilla hyvä korroosionkestävyys

Magnesium (Mg)

Parantaa lujuutta ja kovuutta vaikuttamatta korroosionkestävyyteen ja hitsattavuuteen

Mangaani (Mn)

Lisää lujuutta vaikuttamatta haitallisesti sitkeyteen

Pb, Ti, Zr, Li

Työstöominaisuuksien parantaminen, kuumahalkeilun välttäminen, lujuus jne.

Alumiiniseosten ominaisuudet vaihtelevat suuresti käsittelytilan mukaan. Toimitustilat esitetään kirjaimista ja numeroista koostuvilla toimitustilamerkeillä, jotka liitetään seoksille käytettävien merkkien perään.

Yleisimmät merkinnät ovat:

F: Valmistustila. Tuotteita ei kylmämuokata eikä lämpökäsitellä erikseen määrättyjen ominaisuuksien saavuttamiseksi, vaan ne toimitetaan sellaisina kuin ne valmistusprosessin päättyessä ovat.
O: Pehmeäksihehkutettu (muokatut valmisteet). Tuotteet on hehkutettu muokkauksen jälkeen mahdollisimman pehmeiksi.
H: Muokkauslujitettu. Tuotteen lujuus on saatu aikaan pelkästään muokkaamalla ja/tai sen lisäksi osittaisella lämpökäsittelyllä. Kirjainta H seuraa aina yksi tai kaksi numeroa, joista ensimmäinen ilmaisee suoritetun käsittelyn ja toinen numero muokkausasteen (Yleinen tila on esim. H14, eli muokkauslujitettu, 1/2 kova).
W: Liuoshehkutettu, epästabiili tila. Huoneenlämpötilassa tapahtuvan luonnollisen vanhenemisen takia tulee tila yksikäsitteiseksi vasta, kun sen yhteydessä ilmoitetaan liuotuskäsittelystä kulunut aika. Se merkitään tavallisesti sulkuihin tilamerkin jälkeen.
T: Käsitelty stabiileihin tiloihin johtavalla tavalla, yleisimmät T-tilat ovat:
T4: Liuotushehkutettu ja luonnollisesti vanhennettu - stabiili tila. Valmisteiden on annettu vanhentua huoneenlämmössä suhteellisen stabiiliin rakenteeseen.
T5: Jäähdytetty valmistuslämpötilasta ja keinovanhennettu.
T6: Liuotushehkutettu ja sen jälkeen keinovanhennettu

Alumiiniseosten merkintä sisältää tuotteen muodon, seosmerkinnän, toimitustilamerkinnän ja standardinumeron. Profiilien merkinnässä voi lisäksi ilmoittaa valmistajakohtaisen profiilinumeron, mikäli se on tiedossa.

Merkintäesimerkki: Levy Al99,5 H14 SFS 2582,

Merkintäesimerkki: Valukappale GS-AlSi7Mg T6 SFS 2569

Puhtaan alumiinin lujuusarvot ovat vaatimattomia, mutta seostuksella sen lujuutta voidaan huomattavasti parantaa, jolloin parhaiden alumiiniseosten lujuus on nuorrutusterästen lujuuden luokkaa. Alumiinin lujuuteen voidaan vaikuttaa myös kylmämuokkauksella ja seostettujen alumiinien lujuutta parantaa lämpökäsittelyjen avulla. Taulukossa alla on vertailtu alumiinin hyviä ominaisuuksia ja käyttöä rajoittavia tekijöitä.

Taulukko: Alumiinin hyötyominaisuuksia sekä käyttöä rajoittavia tekijöitä verrattuna rakenneteräksiin, kupariin ja ruostumattomaan teräkseen.

Edut:
1. Keveys
- tiheys noin 1/3 teräksen tiheydestä
2. Lujuus
- eräiden erikoisseosten lujuus on yli 600 N/mm², lujuus ja sitkeys hyvät myös matalissa lämpötiloissa
3. Korroosionkestävyys
- luonnollinen oksidikalvo suojaa alumiinia ilmastollista korroosiota vastaan, sekä vesiliuoksissa tietyssä pH-alueessa (kts. kuva)
4. Työstettävyys
- alumiinia voidaan muokata, pursottaa, valaa, hitsata juottaa ja lastuta helposti
5. Johtavuus
6. Taloudellisuus
- keveys ja lujuus sekä hyvät valu- ja muovausominaisuudet tekevät alumiinin edulliseksi materiaaliksi esim. liikennevälineisiin, rakennuksiin ja sähkölaitteisiin
Jännityksenalaisten osien maksimikäyttölämpötila on virumisen takia useilla yleisillä seoksilla vain noin 200-250 °C.
7. Hygieenisyys
- alumiinia voidaan käyttää elintarvikkeiden ja lääkkeiden pakkaamiseen
8. Kipinättömyys
- alumiini ei kipinöi iskettäessä
9. Valonheijastuskyky
-kiillotettu alumiini heijastaa jopa 99 % säteilystä
10. Antimagneettisuus

Rakenneteräksiin, kupariin ja ruostumattomiin teräksiin verrattuna alumiinilla on seuraavia rajoituksia:
1. Alumiinin korkein käyttölämpötila on alhaisempi kuin teräksen ja kuparin.
- alumiini johtaa sähköä ja lämpöä hyvin; sen sähkönjohtavuus on noin 60 % elektrolyyttikuparin johtavuudesta
2. Alumiinimetallien kovuus on pienempi kuin rautametallien.
3. Alumiinin kimmomoduli on pienempi kuin rautametalleilla

Sivun alkuun

Alumiiniseosten erkaumakarkaisu

Alumiinilla ei esiinny allotropiaa, vaan sen lujuuden kasvattaminen perustuu erkautumisilmiöön. Edellä esitetyt toimitustilat T4, T5 ja T6 viittaavat erkaumakarkaisuun. Tyypillinen erkaumakarkaistava alumiiniseos on Al+4%Cu. Kuparin liukoisuus alumiiniin kasvaa lämpötilan kasvaessa.

Kun seos jäähtyy normaalisti korkeasta lämpötilasta on tuloksena kaksifaasirakenne, jossa toinen faasi (Al₂Cu eli θ-faasi) on suurina partikkeleina toisen faasin (Al(Cu) jähmeä liuos) raerajoilla. Tuloksena on hauras, mutta silti heikko rakenne.

Erkaumakarkaisussa seos jäähdytetään yksifaasialueelta niin nopeasti, ettei toinen faasi ehdi erkautua. Materiaali jää metastabiiliksi jähmeäksi liuokseksi.

Syntynyt rakenne saatetaan stabiiliksi joko luonnollisesti vanhentamalla huoneenlämpötilassa tai keinovanhentamalla korotetussa lämpötilassa (100-200°C). Tällöin ylimääräinen kupari (alumiini on liuottanut itseensä enemmän kuparia kuin tasapainopiirroksen mukaan on mahdollista metastabiili rakenne, rakenne, joka ei ole stabiili, mutta jolla ei ole mahdollisuutta stabiloitua näin alhaisissa lämpötiloissa) erkautuu hienoiksi erkaumiksi, jolloin materiaali tulee lujaksi ja sitkeäksi.

b_04_02.gif (14K)

Erkaumakarkaisun kulku. Vaiheet ovat liuoshehkutus, sammutus ja vanhennus. (vrt. teräksen karkaisu ja keksi ero!)

Näin saadut lujuusominaisuudet katoavat helposti materiaalia lämmitettäessä (ylivanheneminen). Tämä rajoittaa erkaumakarkaistujen alumiiniseoksien korkeimmaksi käyttölämpötilaksi noin 150°C. Erkaumakarkaisun kulku on esitetty kuvassa yllä.

Erkautumislämpötilan ja ajan vaikutus Al-4%Cu seoksen ominaisuuksiin on esitetty kuvassa yllä. Merkinnät GPI ja GPII tarkoittavat Guinier-Preston -vyöhykkeitä. Guinier-Preston -vyöhykkeet ovat ei-tasapainorakenteisia erkaumia. GPI vyöhykkeet ovat erittäin ohuita kupari erkaumia Al(Cu) matriisissa. Erkautumisen jatkuessa GPI vyöhykkeet kasvavat kiekoiksi, joita kutsutaan GPII-vyöhykkeiksi. Erkautumisen jatkuessa alkaa tapahtua erkaumien rakenteen järjestäytymistä ja muodostuu θ’-faasi, joka edelleen muodostaa metallien välisen yhdisteen ja siten stabiilin erkauman θ (vrt. Cu₃Au). Ei-tasapainorakenteen omaavat erkaumat GPI, GPII ja θ’ ovat koherentteja erkaumia. Kuvassa alla on esitetty kaaviollisesti koherentti GP vyöhyke / θ’. Vyöhykkeen koko on noin 15nm*150nm.

Kaaviollinen esitys GP vyöhykkeestä / θ’ erkaumasta.

Yleiset vaatimukset erkaumakarkenemiselle metalliseoksissa:

1. Seosaineen liukoisuuden täytyy kasvaa lämpötilan kasvaessa. Toisin sanoen seoksen pitää olla korkeassa lämpötilassa yksifaasinen ja alhaisissa lämpötiloissa kaksifaasinen.
2. Matriisin pitää olla sitkeä (ja melko pehmeä) ja erkaumien tulee olla lujia (ja yleensä hauraita). Useimmissa erkaumakarkenevissa seoksissa erkauma on metallien välinen yhdiste.
3. Seoksen tulee olla sammutettavissa. Joitakin seoksia ei voida jäähdyttää niin nopeasti, että ne eivät erkautuisi jo sammutuksessa hallitsemattomasti. Sammutus voi lisäksi saada aikaan jäännösjännityksiä, jotka vääristävät kappaletta. jäännösjännitysten minimoimiseksi alumiiniseokset sammutetaan noin 80°C veteen.
4. Muodostuvan erkauman tulee olla koherentti.

Sivun alkuun

Alumiiniseosten lujuusominaisuudet

Alumiinin sulamispiste on alhainen (658°C), joten viruminen on otettava huomioon mitoituksessa jo alhaisissakin lämpötiloissa (> 100°C). Matalissa lämpötiloissa alumiinin ja sen seosten lujuus on suurempi kuin huoneenlämpötilassa. Hitsattujen ja juotettujen rakenteiden mitoituksessa on käytettävä pehmeäksihehkutetun tilan lujuusarvoja (paineastiat, SFS 2554).

Alumiinin ja sen seosten väsymislujuus on yleensä 0,35-0,55 kertaa murtolujuus. Yleisesti alumiinin väsymislujuus ilmoitetaan lujuusarvona, joka vastaa väsymislujuutta noin 3-5×10⁸ kuormanvaihtokerran jälkeen. Valmistustapa vaikuttaa kappaleen väsymiskestävyyteen siten, että puristetun profiilin väsymislujuus on suurempi kuin vastaavasta materiaalista taotun tai valssatun levyn väsymislujuus. Valetun kappaleen väsymiskestävyys on huonompi kuin samasta seoksesta muokkaamalla valmistetun.

Syövyttävissä olosuhteissa väsymislujuus alenee huomattavasti. Pinnoittaminen tai anodisointi lisää materiaalin väsymislujuutta tällaisissa olosuhteissa.

Lovenvaikutus väsymiskestävyyteen otetaan huomioon loviherkkyysluvun n avulla. Muokatuilla seoksilla loviherkkyys n=0,4-0,5 ja valetuilla 0,7-0,9.

Alumiinin ja sen seosten iskusitkeysarvo pysyy käytännössä vakiona lämpötilan muuttuessa. Rakenneteräksistä poiketen alumiiniseoksilla ei ole haurastumislämpötilaa. Tämä tekee alumiinista soveliaan materiaalin kryogeenisiin sovellutuksiin. Sitä käytetäänkin nesteytettyjen kaasujen kuljetussäiliöissä, esim. nesteytetyn metaanin (-161°C) kuljetuslaivoissa.

Sivun alkuun

Alumiinin korroosionkestävyys

Alumiinin ja sen seosten korroosionkestävyys ilmastollisissa olosuhteissa on hyvä verrattuna hiiliteräkseen. Korroosionkestävyys perustuu alumiinin pintaan muodostuvaan 5-10nm paksuiseen alumiinioksidikerrokseen. Oksidikerros suojaa alumiinin pintaa olosuhteissa, joissa syövyttävän ympäristön pH on alueella n. 4-8.5, kuten alla kuvasta voidaan havaita.

Kuva: Alumiinin korroosionopeus pH:n funktiona

Puhtaassa vedessä ja luonnon vesissä alumiinissa saattaa esiintyä pistesyöpymistä, jos vesi seisoo alumiinin pinnalla. Kupari- kalsium-, kloori- tai bikarbonaatti-ionit lisäävät korroosiovaaraa. Merivesiolosuhteissa parhaiten kestäviä ovat Mg-pitoiset alumiiniseokset, esim. AlMg₃ ja AlMg₄,5Mn. Kupariseostus heikentää alumiinin korroosionkestävyyttä.

Jos alumiinirakenne upotetaan maahan se tulee suojata pinnoittamalla tai katodisella suojauksella. Esim. AlMn-seokset soveltuvat maanalaisiin konstruktioihin. Märkä betoni ja laasti syövyttävät alumiinia. Kuivuttuaan betoni saattaa aiheuttaa alumiinin kanssa tiiviissä kosketuksessa rakokorroosiota.

Yhteenveto alumiiniseosten kestävyydestä erilaisissa kemikaaleissa on esitetty taulukossa alla

Erittäin korrodoivia ovat:
-Natriumhydroksidi (lipeä), kalium-hydroksidi (kalilipeä), litium-hydroksidi ja bariumhydroksidi
-Natriumsulfidi
-Halogeenien muodostamat hapot, kuten esim. suolahappo ja fluorivetyhappo, myös laimeina liuoksina.
-Rikkihappo, liuoksen väke-vöityminen ja lämpötilan kohottaminen kiih-dyttää korroosiota
. Huoneenlämpötilassa laimeissa liuoksissa (<1%) korroosio vähäistä. Myös väkevissä liuoksissa (98-100%) korroosio on vähäistä.
-Kosteat halogeenikaasut, kuten esim. kloori
-Kostea otsoni
-Kupari-, koboltti-, lyijy-, nikkeli-, elohopea-, tina- ja hopeaioneja liuokseen luovuttavat suolat.
Korrodoivia ovat:
-Kostea rikkidioksidi- tai rikkidioksidikaasu
-Neutraalit kloridi-, hypokloriitti- ja syanidiliuokset
-Fosforihappo

Ei korroosiota tai korroosio vähäistä:
-Neutraalit tai lähes neutraalit liuokset, jotka sisältävät ammonium-, barium-, kadmium-, alumiini-, magnesium-, mangaani-, natrium tai kaliumsuoloja, kuten esim. sulfaatteja, nitraatteja, fosfaatteja, kromaatteja, asetaatteja tai oksideja.
-Kuiva ammoniakki ja ammoniumsulfidi, kostea ammoniakki ja ammoniumhydroksidi ovat lievästi korrodoivia, kun T<50°C
-Boorihappo, arseenihappo, hiilihappo ja hydrosyanidihappo
-Muurahaishappo, propionihappo, butyyrihappo, kun T<50°C
-Fenoli, kun T<120°C
-Useimmat alkoholit (muutamat vahingollisia, jos ne ovat hyvin kuivia, <0,01% vettä ja lämpötila on korkea).
-Aldehydit, amidit ja amiinit (amiinihydrokloridi aiheuttaa voimakasta pistesyöpymää).
-Bentseeni, tolueeni, ksyleeni, naftaleeni ja styreeni
-Useimmat ruoan, lääkkeiden ja parfyymien valmistuksessa käytetyt väriaineet, esterit, eetterit, ketonit, nitratut yhdisteet ja öljyt.
-Kuivat halogeenikaasut (kuiva kloori, kun T<127°C ja kuiva fluori, kun T<230°C).
-Happi, vety, typpi, helium ja argon
-Kuiva otsoni
-Hiilimonoksidi ja hiilidioksidi huoneenlämpötilassa myös kosteana.
-Kuivat typpioksidit

Sivun alkuun

Alumiinin hitsaus

Alumiini on hitsattavissa kaikilla tunnetuilla hitsausmenetelmillä, joskin yleisesti käytetään miltei yksinomaan TIG- ja MIG-hitsausta. Alumiinin hitsaukseen liittyy kuitenkin runsaasti hitsausta vaikeuttavia tekijöitä, jotka puutteellisesti huomioituina saattavat johtaa huonoon lopputulokseen.

Tällaisia tekijöitä ovat:
1. Alumiinin ja sen seosten alhainen sulamispiste (660-565°C) sekä sulaminen ilman värimuutosta tekee sulamisen havaitsemisen ja lämmöntuonnin arvioimisen vaikeaksi. Tästä syystä hitsauksen ja kovajuoton suoritus vaatii tarkkuutta ja kokemusta.
2. Alumiinin pinnan oksidikerroksen sulamispiste on korkea, yli 2000°C. Oksidikalvo sulaan painuessaan aiheuttaa liitosvirheen. Huokoinen hapettumakalvo sitoo itseensä myös kosteutta, josta saattaa joutua hitsiin vetyä. Hapettumakerros poistetaan mm. seuraavin tavoin:
- kaasu- ja puikkohitsauksessa kemiallisesti liuottamalla, juoksutteiden ja puikon päällysteen sisältämien aineiden avulla
- TIG-hitsauksessa saadaan vaihtovirtaa käyttäen elektronien suuntaa vaihtamalla hapettumakalvo eliminoitua
- MIG-hitsauksessa korkea virrantiheys ja + napa elektrodissa varmistavat oksidikalvon rikkoutumisen
- Vastushitsauksessa oksidikalvo poistetaan käyttämällä suuria puristuspaineita ja korkeaa lyhytaikaista virtaa
Näiden menetelmäkohtaisten keinojen lisäksi hyvän tuloksen aikaansaaminen edellyttää myös mekaanista hapettumakalvon poistamista. Koska hapettumakalvo voi joutua hitsiin myös lisäaineesta on TIG-lankojen pinnan puhdistus suoritettava pyrittäessä erittäin hyvään hitsin laatuun.
3. Alumiinin lämpölaajenemiskerroin on suuri. Alumiinihitsi kutistuu n. 6 % jähmettyessään. Tästä johtuen hitsattujen alumiinirakenteiden muodonmuutos saattaa olla suuri ja repeilyvaara on huomioitava. Muodonmuutoksiin voidaan vaikuttaa railomuodolla, hitsausjärjestyksen valinnalla ja esikuumennuksella.
4. Alumiinin lämmönjohtavuus on suuri, jolloin sulattamiseen tarvittava energia on suuri. Tämä on huomioitava etenkin paksuseinämäisten tuotteiden hitsauksessa esilämmityksen ja oikean kaasunvalinnan muodossa kaasuhitsausta käytettäessä.
5. Vedyn liukoisuus sulaan alumiiniin on suuri. Jähmettyessään vety poistuu alumiinin hilasta muodostaen helposti huokosia. Tästä syystä pintojen on ennen hitsausta oltava puhtaita kosteudesta liasta ja oksidikalvosta, jossa olevasta kosteudesta vety on usein peräisin.
6. Seoksesta riippuen saattaa jähmettymismekanismista johtuen rakenteeseen muodostua huokosia, kuumahalkeamia tai kutistumisonkaloita rakenteeseen

Hitsaaminen alentaa kylmämuokattujen ja karkaistujen rakenteiden lujuutta, mutta pehmeäksihehkutettujen rakenteiden lujuuteen sillä ei ole vaikutusta.

Sivun alkuun

Alumiinin työstö

Alumiinia ja alumiiniseoksia on helppo taivuttaa ja syvävetää. Syvävedettävissä rakenteissa käytetään eniten Al99.5:ttä. Alumiinin lastuttavuus on hyvä. Sitä voidaan työstää kaikilla lastuamismenetelmillä. Alumiinin vaatima ominaislastuamisvoima on vain neljäsosa teräksen vaatimasta.

Esimerkki alumiinin käytöstä

Eräs esimerkki alumiinin käytöstä paineastiassa on raskaan ajoneuvokaluston jarrujen ilmasäiliöt, jotka perinteisesti valmistetaan teräksestä. Alumiinin käytön kriteerinä ovat lähinnä:
- alhaisempi paino
- hyvä korroosionkestävyys
- helpompi valmistus (syväveto, hitsaus)

Vaatimukset:
- paine 10bar, T=-40-100°C
- Säiliön materiaalin on sisäpuolella kestettävä syöpymättä kosteaa ilmaa ja pintaan kondensoituvaa alkoholia, jota käytetään jäätymisen estoon. Mahdolliset korroosiotuotteet eivät saa olla kiinteitä, jolloin ne saattavat tukkia ilmakanavat ja venttiilit.
- Säiliön materiaalin on ulkopuolelta kestettävä ilmastollista korroosiota ja maantiesuolojen syövyttävä vaikutusta.

Terässäiliöiden suurin ongelma on ollut sisäpuolinen korroosio ja korroosiotuotteiden aiheuttamat jarrujen toimintahäiriöt. Alumiinilla ei tapahdu korroosiota ko. olosuhteissa. Terässäiliöt on valmistettu kuvan mukaisesti kolmesta osasta. Alumiinisäiliö puolestaan valmistetaan kahdesta syvävedetystä osasta kuvan mukaisesti.

04_06ja07.gif (3K)
Kuva teräksisestä ja alumiinisesta ilmasäiliöstä

Säiliön alumiiniseokselta vaaditaan:
- hyvää korroosionkestävyyttä
- mahdollisimman hyvää lujuutta
- helppoa syvävedettävyyttä
- hyvää hitsattavuutta
- hyväksyntää paineastiakäyttöön.
- lujuuden säilyvyyttä 100°C:een

Lähinnä viimeinen seikka rajoittaa paineastiakäyttöön hyväksytyt seokset, joita ko. konstruktiossa voidaan käyttää seoksiin AlMg₃ ja AlMg₂Mn0.8. Hieman paremman hitsattavuutensa johdosta materiaaliksi on valittu jälkimmäinen.

Alumiinin anodisointi

Alumiinin anodisointi (vanhempi termi on eloksointi) tarkoittaa alumiinin pintaan luonnollisesti syntyvän n. 0,01mm paksuisen oksidikalvon vahventamista aina 50mm asti. Anodisoinnin tarkoituksena on parantaa alumiinin korroosion- ja kulumiskestävyyttä. Värjäämällä anodisointikerros saadaan hyvin pysyvä värillinen pintakerros alumiinille. Anodisoitava kappaleen upotetaan rikkihappokylpyyn ja kytketään virtalähteen anodiin. Syntyy kuvan (vasen) mukainen huokoinen pinta. Pinta voidaan tiivistää kuumassa vedessä, jolloin muodostuva alumiinihydraatti täyttää huokoiset (oikeanpuoleinen kuva).