Luku 11: Metalliseosten käyttökohteet ja lämpökäsittelyt Käsiteltäviä aiheita... Miten metalliseokset luokitellaan ja mihin niitä käytetään? Mitä ovat yleisimmät metallien valmistusmenetelmät? Miten ominaisuudet vaihtelevat kappaleessa, esim. sammutuksen jälkeen? Miten ominaisuuksia voidaan muokata lämpökäsittelyillä?

Metallien luokittelu teräkset valuraudat <1,4 % C 3-4,5 % C metallit Steels rautametallit ei-rautametallit Cast Irons Cu Al Mg Ti <1.4wt%C 3-4.5 wt%C teräkset <1,4 % C valuraudat 3-4,5 % C Fig. 11.1, Callister 7e. mikrorakenne: ferriittiä, grafiittia, sementiittiä Fe 3 C sementiitti 1600 1400 1200 1000 800 600 400 1 2 4 5 6 6.7 L g austeniitti +L +Fe3C a ferriitti + L+Fe3C d (Fe) Co p.% C eutektinen eutektoidinen 0,76 4,30 727°C 1148°C T(°C) Fig. 9.24,Callister 7e. (Fig. 9.24 Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.)

Teräkset - Niukkaseosteiset Runsasseosteiset niukkahiiliset <0,25 % C keskihiiliset 0,25-0,6 %C runsashiiliset 0,6-1,4 % C puhdas HSLA lämpö-käsiteltävä työkalu austeniittinen ruostumaton Nimi Seosaineet - Cr,V Ni, Mo Cr, Ni Mo Cr, V, Mo, W Cr, Ni, Mo Esim. 1010 4310 1040 43 40 1095 4190 304 Karkenevuus + ++ +++ Murtolujuus - + ++ Venymä + + - - -- ++ Käyttö- kohteita autojen rakenteet, levyt sillat, tornit, paine-astiat kampi-akselit, pultit, vasarat, terät männät, hammas-pyörät, kuluttavat kohteet korkea T kohteet, turbiinit, uunit korroosiota kestävät kohteet kuluttavat kohteet porat, sahat, muotit kasvava lujuus ja hinta, laskeva sitkeys Data: Tables 11.1(b), 11.2(b), 11.3, and 11.4, Callister 7e.

Teräksen valmistus malmista rautamalmi koksi kalkkikivi 3CO + Fe2O3 ® 2Fe +3CO2 C + O2 CO2 2CO CaCO3 CaO+CO2 CaO + SiO2 + Al2O3 kuona puhdistaminen raudan pelkistyminen lämmöntuotto sulaa rautaa MASUUNI kuonaa ilmaa koksi- ja rautamalmi- kerroksia kaasua kuumuutta kestävä astia

Rautametallit Teräkset ja valuraudat Nimikkeistö: AISI & SAE 10xx hiiliteräkset 11xx hiiliteräkset (lisätty rikkiä: koneistettavuus) 15xx Mn (1,0 ~ 2,0%) 40xx Mo (0,20 ~ 0,30%) 43xx Ni (1,65 – 2,00%), Cr (0,4 – 0,90%), Mo (0,2 – 0,3%) 44xx Mo (0,5%) xx on p.% C x 100 esim: 1060 teräs – hiiliteräs, jossa 0,60 %C Ruostumaton teräs: >11% Cr

Valurauta Rautametalli, jossa > 2,1 %C useimmiten 3 – 4,5 %C Matala sulamispiste, joten helppo valaa (myös hauras) Sementiitti hajaantuu ferriitiksi ja grafiitiksi Fe3C  3 Fe () + C (grafiitti) yleensä hidas prosessi So phase diagram for this system is different (Fig 12.4)

Fe-C tasapainopiirros 1600 1400 1200 1000 800 600 400 1 2 3 4 90 L g +L  + grafiitti sula+ grafiitti (Fe) Co , p.% C 0,65 740°C T(°C)  + grafiitti 100 1153°C austeniitti 4,2 %C a + g Grafiittia muodostuu kun... Si > 1 % jäähtyminen on hidasta Cast irons have graphite Fig. 11.2,Callister 7e. (Fig. 11.2 Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.)

Valurautayypit Harmaa valurauta grafiitti suomuina heikko ja hauras vetojännityksessä vahvempi puristuksessa vaimentaa värinää erinomaisesti kulumista kestävä Pallografiittivalurauta seostetaan Mg tai Ce grafiitti palloutuu matriisi usein perliittiä – parempi sitkeys Fig. 11.3(a) & (b), Callister 7e.

Valurautatyypit Valkoinen valurauta <1 %Si joten kovempaa, mutta haurasta enemmän sementiittiä Adusoitu valurauta lämpökäsitellään 800-900ºC grafiitti ruusukkeina sitkeämpää Fig. 11.3(c) & (d), Callister 7e.

Valuraudan valmistus Fig.11.5, Callister 7e.

Rautametallien käytön rajoitteita Verrattain korkea tiheys Verrattain matala sähkönjohtavuus Huono korroosionkesto

Ei-rautametallit Ei-rauta-metallit • Cu seokset • Al seokset messinki: Zn korvausatomeina (korut, kolikot, korroosiota kestävät kohteet) pronssi: Sn, Al, Si, Ni korvausatomeina (sovittimet, potkurit, laskeutumistelineet) Cu-Be: erkautus-karkaistu paremman lujuuden saamiseksi • Al seokset -matalampi r: 2,7g/cm3 -seostus: Cu, Mg, Si, Mn, Zn -liuoslujittuvat tai erkautus- karkenevat -lentokoneen osat, pakkaukset Ei-rauta-metallit • Mg seokset -matala r: 1,7g/cm3 -helposti syttyvä -ilmailu, ohjukset • Ti seokset -matala r: 4,5g/cm3 vrt. 7,9 teräksellä -reaktiivinen kork. T -avaruussovelluksia • Tulenkestävät metallit -korkea sulamis T -Nb, Mo, W, Ta • Jalometallit -Ag, Au, Pt - korroosiota kestäviä Data: Section 11.3, Callister 7e.

Metallien muodonanto Miten metalleja voidaan muovata? taonta valssaus valaminen Muovausoperaatio raaka-aihio muovataan lopulliseen muotoonsa Kuumamuokkaus riittävän korkea lämpötila, jotta rekristallisaatio on mahdollinen suuret deformaatiot Kylmämuokkaus alle rekristallisaatiolämpötilan muokkauslujittuminen pienet deformaatiot

Metallien valmistusmenetelmät - I Muokkaus Valaminen Liittäminen A o d voima muotti aihio • Takominen (vasarointi; meisto) (kiintoavain, kampiakseli) usein korotettu lämpötila Fig. 11.8, Callister 7e. valssi A o d • Valssaus (kylmä tai kuuma) (I-palkit, kiskot, levyt) vetävä voima A o d muotti • Vetäminen (tangot, langat, putket) muotin oltava hyvin voideltu ja puhdas mäntä aihio reuna voima työkalu A o d ekstruusio • Pursotus (tangot, putket, profiilit) sitkeät metallit, esim. Cu, Al (kuuma)

Metallien valmistusmenetelmät - II Muovaavatyöstö Valaminen Liittäminen Valaminen – muotti täytetään sulalla metallilla metalli sulatetaan uunissa (lisätään seosaineet) ja valetaan muottiin halvin valmistusmenetelmä mahdollistaa monenlaiset kappalegeometriat huonommat mekaaniset ominaisuudet kuin muokatuilla (vikoja) hyvä vaihtoehto hauraiden materiaalien valmistamiseen

Metallien valmistusmenetelmät - II Muovaavatyöstö Valaminen Liittäminen Hiekkavalu (suuret kappaleet, kuten moottorilohkot) tarkoitus pitää sulaa metallia mikä kestää >1600ºC? halpa, helppo muotti: hiekka!!! hiekka pakataan tiiviisti haluttuun muotoon Hiekkaa sulaa metallia

Metallien valmistusmenetelmät - II Muovaavatyöstö Valaminen Liittäminen Hiekkavalu (suuret kappaleet, kuten moottorilohkot) Tarkkuusvalussa vahamalli on tehty parafiinista muotti kaavataan vahamallin ympärille vaha sulatetaan, jolloin jäljelle jää ontto muotti kaadetaan sula metalli muottiin Hiekkaa sulaa metallia Tarkkuusvalu (pienet sarjat, monimutkaiset muodot esim. turbiinilavat) muotti muodostetaan vahamallin ympärille vaha

Metallien valmistusmenetelmät - II Muovaavatyöstö Valaminen Liittäminen Hiekkavalu (suuret kappaleet, kuten moottorilohkot) Painevalu (suuret sarjat, matala T seokset) Sand molten metal Jatkuvavalu (valssausaihiot) sulaa kiinteää Tarkkuusvalu (pienet sarjat, monimutkaiset muodot esim. turbiinilavat) muotti muodostetaan vahamallin ympärille vaha

Metallien valmistusmenetelmät - III Muovaavatyöstö Valaminen Liittäminen Pulverimetallurgia (matalan sitkeyden materiaalit) Hitsaus (kun ei kannata tehdä yhtenä kappaleena) Muutosvyöhyke: (heat affected zone, mikrorakenne on muuttunut) Fig. 11.9, Callister 7e. (Fig. 11.9 Iron Castings Handbook, C.F. Walton and T.J. Opar (Ed.), 1981.) kappale1 kappale2 osittain sulanut perusaine lisäaine (sulanut) perusaine (sulanut) muuttumaton muutosvyöhyke (HAZ) paine lämpöä pistekosketus matalassa lämpötilassa tiivistyminen diffuusion avulla korkeassa lämpötilassa alakosketus tiivistys

Metallien lämpökäsittelyt Hehkutus: Lämmitetään hehkutuslämpötilaan ja jäähdytetään. Hehkutus- tyypit Pehmeäksihehkutus (Fe3C pall.) (teräkset): pehmennetään terästä paremman koneistettavuuden saamiseksi. T juuri alle TE ja pito 15-25 h Jännitystenpoisto: pienentää jännityksiä, joita aiheuttaa: plastinen deformaatio epätasainen jäähtyminen faasimuutokset Pehmeäksihehkutus: kuumennetaan austeniitiksi, hidas jäähdytys → karkeaa perliittiä. Toivutushehkutus: palauttaa kylmämuokkausta edeltäneet ominaisuudet (rekristallisaatio) Normalisointi (teräkset): Suuret rakeet hajotetaan normalisoinnissa, jolloin raekoko pienenee. Pohjautuu: Section 11.7, Callister 7e.

Lämpökäsittelyt hehkutus sammutus martensiitin päästö a) b) c) TE 800 Austeniitti (stabiili) a) b) hehkutus TE T(°C) A sammutus P 600 martensiitin päästö B 400 A 100% Fig. 10.22, Callister 7e. 50% 0% c) 0% 200 M + A 50% M + A 90% -1 3 5 10 10 10 10 aika (s)

Karkenevuus - teräkset • Kyky muodostaa martensiittia • Jominy-koe mittaa teräksen karkenevuutta 24°C vettä koesauva (kuumennettu g-alueelle) koneistettu pinta Rockwell C kovuusmittaukset Fig. 11.11, Callister 7e. (Fig. 11.11 A.G. Guy, Essentials of Materials Science, McGraw-Hill Book Company, New York, 1978.) • Kovuus vs. etäisyys sammutetusta päästä Kovuus, HRC Etäisyys sammutetusta päästä Fig. 11.12, Callister 7e.

Miksi kovuus muuttuu etäisyyden mukaan? • Jäähtymisnopeus muuttuu etäisyyden mukaan 60 martensiittia martensiittia + Perliittiä Hienoa perliittiä perliittiä Kovuus, HRC 40 20 etäisyys sammutetusta päästä 1 2 3 600 400 200 g ® a’ A P 0.1 1 10 100 1000 T(°C) Ms(start), alku Aika (s) 0% 100% Mf(finish, loppu) Fig. 11.13, Callister 7e. (Fig. 11.13 H. Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American Society for Metals, 1977, p. 376.)

Karkenevuus ja seostus Jäähtymisnopeus (°C/s) Kovuus, HRC 20 40 60 10 30 50 Etäisyys sammutetusta päästä (mm) 2 100 3 4140 8640 5140 1040 80 % mart. 4340 Jominy-koetulokset, C = 0,4 %C Fig. 11.14, Callister 7e. (Fig. 11.14 Republic Steel Corporation.) Seosteräkset (4140, 4340, 5140, 8640) sisältää Ni, Cr, Mo (0,2 – 2 %) seosaineet siirtävät perliitti”nenää” martensiitin muodostus on helpompaa T(°C) 10 -1 3 5 200 400 600 800 Aika (s) Ms M(90%) muutos A:sta B:hen seostuksen ansiosta B A TE

Sammutusväliaine ja geometria • Sammutusväliaineen vaikutus Väliaine ilma öljy vesi Sammutusteho matala keskiverto korkea Kovuus matala keskiverto korkea Geometrian vaikutus: pinta-alan kasvaessa tilavuuteen → jäähtymisnopeus kasvaa → kovuus kasvaa Sijainti keskusta pinta Jäähtymisnopeus matala korkea Kovuus

Erkautuskarkaisu a q a+q • Erkaumat estävät dislokaatioiden liikettä • Esim: Al-Cu systeemi • Menetelmä 10 20 30 40 50 wt% Cu L +L a a+q q +L 300 400 500 600 700 (Al) T(°C) koostumusalue, joka vaaditaan erkautuskarkaisussa CuAl2 A - A: liotushehkutus (a jähmeä liuos) B - B: sammutus huoneenlämp. C - C: lämmitys, jolloin ydintyy pieniä q-rakeita a-rakeiden joukkoon. Muita erkautuskarkenevia seoksia: • Cu-Be • Cu-Sn • Mg-Al Fig. 11.24, Callister 7e. (Fig. 11.24 J.L. Murray, International Metals Review 30, p.5, 1985.) Lämp. Aika A (liotushehkutus) C ( erkaumia) Fig. 11.22, Callister 7e.

Erkaumien vaikutus murtolujuuteen ja -venymään 2014 Al seos: Murtolujuudessa huippu-arvo tietyllä vanhennusajalla Korkeampi T nopeuttaa prosessia Murtovenymä saavuttaa minimin tietyllä vanhennusajalla Murtovenymä% (2 tuuman näyte) 10 20 30 1min 1h 1day 1mo 1yr 204°C 149 °C Vanhennusaika Vanhennusaika Murtolujuus (MPa) 200 300 400 100 1min 1h 1day 1mo 1yr 204°C ei-tasap. jähmeä liuos paljon pieniä erkaumia. "vanhennettu" suuria erkaumia. "ylivanhennettu" 149°C Fig. 11.27 (a) (b), Callister 7e. (Fig. 11.27 Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing Ed.), American Society for Metals, 1979. p. 41.)

Metalliseosten kiderakenne Korvausliuos voi olla järjestytynyt tai epäjärjestytynyt epäjärjestytynyt jähmeä liuos järjestytynyt jähmeä liuos - järjestelmällinen atomien sijoittuminen Esimerkki: CuAu (pkk) Cu Au

Metalliseosten kiderakenne Välisijaliuos liuoksessa toinen atomi on huomattavasti toista suurempi pienemmät atomit menevät suurten atomien muodostaman rakenteen välisijoihin esim: sementiitti – Fe3C

Metalliseosten kiderakenne Millaisia välisijoja pkk-rakenteesta löytyy? Oktaedri - oktaedrikolo = OH Tetraedri - tetraedrikolo = TD

Metalliseosten kiderakenne Välisija-atomit, kuten H, N, B, C pkk-rakenteessa on 4 atomia per yksikkökoppi OH -kolot 4 OH -koloa TD -kolot 8 TD -koloa metalliatomit

Yhteenveto • Teräkset: lujuus ja kovuus (hinta) kasvaa, kun - C pit. kasvaa (seostamattomat) - Cr, V, Ni, Mo, W pi. kasvaa (seosteräkset) (sitkeys yleensä laskee lisättäessä seosaineita) • Ei-rautametallit: - Cu, Al, Ti, Mg, tulenkestävät metallit ja jalometallit • Valmistusmenetelmiä - muokkaus, valaminen, liittäminen • Karkenevuus - paranee seosaineita lisäämällä • Erkautuskarkaisu - tehokas tapa lujittaa esim. Al, Cu, ja Mg seoksia.

Tiedotettavaa Luettavaa: Ydinongelmia: Itseopiskeltavaa: