Ei-rautametallit
Alumiini VMV / Materiaaliryhmät / Ei-rautametallit / Alumiini /
AlumiiniAlumiinia 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.
Alumiiniseosten ominaisuudet vaihtelevat suuresti käsittelytilan mukaan. Toimitustilat esitetään
kirjaimista ja numeroista koostuvilla toimitustilamerkeillä, jotka liitetään seoksille käytettävien
merkkien perään. Yleisimmät
merkinnät ovat:
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.
Alumiiniseosten erkaumakarkaisuAlumiinilla 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.
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.
Alumiiniseosten lujuusominaisuudetAlumiinin 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.
Alumiinin korroosionkestävyysAlumiinin 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
Alumiinin hitsausAlumiini 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: Hitsaaminen alentaa kylmämuokattujen ja karkaistujen rakenteiden lujuutta, mutta pehmeäksihehkutettujen rakenteiden lujuuteen sillä ei ole vaikutusta.
Alumiinin työstöAlumiinia 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:
Vaatimukset: 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.
Säiliön alumiiniseokselta vaaditaan: 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 anodisointiAlumiinin 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).
![]()
|
|||||||||||||||||
Sivulla olevaa aineistoa ei saa käyttää kaupallisiin tarkoituksiin ilman kirjallista lupaa . Sivuilla olevaa aineistoa saa käyttää maksuttomaan opetukseen ja opiskeluun. © Copyright Tampereen teknillinen yliopisto Materiaaliopin laitos 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 |