LUENTO 2 Kertausluento B 2013 BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen LUENTO 2 Kertausluento B 2013

Tämän luennon oppimistavoitteet: Kerrata materiaaliriippuvaiset valmistettavuuden tunnusluvut Kerrata korroosion lajit Kerrata kulumismekanismit

Valmistettavuuden tunnusluvut

MATERIAALIN LASTUTTAVUUS Lastuttavuutta ei voida ilmoittaa vain yhdellä aineenkoetuskokeesta saatavalla lukuarvolla. Lastuttavuuden arviointi edellyttää useiden eri lukuarvojen vertailua. Materiaalin lastuttavuus on “hyvä”, jos: - Lastuaminen vaatii vähän tehoa (Pmin) - Lastuaminen aiheuttaa pienet lastuamisvoimat (Fmin) - Kappaleen mittatarkkuus on hyvä (ITmin) - Kappaleen pinnanlaatu on hyvä (Ramin) - Voidaan poistaa suuria ainemääriä kerralla (v,a,s max) - Terän kuluminen on vähäistä (tkesto max) - Lastun murto ei tuota ongelmia (lastun kokomin ja muoto)

TERÄSTEN LASTUTTAVUUDESTA Minimoitaessa terän kulumista on materiaalin kovuus keskeisin kriteeri eli tässä mielessä: runsashiiliset teräkset ovat vaikeasti lastuttavia, vähähiiliset ovat hyvin lastuttavia karkaistut teräkset ovat huonosti lastuttavia, pehmeäksi hehkutetut ovat hyvin lastuttavia Optimoitaessa lastun muotoa on lastun katkeamistaipumus keskeisin kriteeri eli tässä mielessä: vähähiiliset teräkset ovat huonoja, pehmeästä aineesta syntyy hankala ja pitkä lastunmuoto “haurastavilla” aineilla seostetut ovat paremmin lastuttavia (rikin ja magnaanin seostus  magnaanisulfidisulkeumia) mellotuksen jälkeen kalsium-injektiokäsitellyt ja Mn-seostetut teräkset ovat hyvin lastuttavia  nk. M-käsittely) Materiaalin valinnassa tehdään ominaisuuksien kompromissi: Hiilipitoisuus - seostus - lämpökäsittely - toimitustila

Materiaalin (seostuksen ja) toimitustilan merkitys: H14 = puolikova, H18 = kova T4 = luonnollisesti vanhennettu, T6 = keinovanhennettu T8 = liuotushehkutettu, keinovanhennettu ja kylmämuokattu

LIITOSTEN MATERIAALIN VALINTA Eräiden materiaalien liittäminen vaatii erillisiä liitososia (esim. keraamiset osat), jolloin on otettava huomioon myös liitososien materiaalinvalinta. Liitoksiin kohdistuvat toiminnalliset vaatimukset on sovitettava yhteen konstruktion muun materiaalin valinnan kanssa: 1 Staattinen lujuus 2 Väsymislujuus 3 Joustavuus tai jäykkyys 4 Tiiviys 5 Kemiallinen kestävyys 6 Lämpökuormien kesto 7 Kokoonpanon helppous 8 Varmuus käytön aikaista avautumista vastaan 9 Irrotettavuus (tarvittaessa) 10 Kustannukset Ensin on tehtävä vaatimuslista itse liitokselle ja sen jälkeen muodostettava vaatimuslista liitososien materiaaleille!

MATERIAALIN VALINTA RUUVILIITOKSISSA 1. Käytetään sopivia aluslaattoja: pintapaineen pienentäminen varmistetaan kiinnipysymisen ehkäistään mahdollisen kaltevan kiinnityspinnan aiheuttama taipuma ruuvissa estetään galvaanisen korroosioparin muodostuminen 2. Valitaan ruuvin materiaali yhteensopivaksi yhteenliitettävien osien materiaalien kanssa: ruuvi venyy (“toimii jousena”), liitettävät osat puristuvat kokoon  kimmomoduulien yhteensovittaminen kitkan merkitys kiinnipysymisessä ja kiristämisessä  kitkakertoimet eri materiaaliparien kesken 3. Otetaan huomioon minimireunaetäisyydet liitettävissä osissa eli suoritetaan lujuustarkastelu ruuville, mutta myös perusmateriaalille  murto-, myötö- ja väsymislujuus

Ruuviliitosten vauriomuotoja 1 Staattisen vetokuorman alainen ruuvi murtuu: - vetojännitys ylittää murtolujuuden - ruuvin tai mutterin kierre leikkautuu irti 2 Ruuvin väsymisraja ylittyy: ruuveille väsymisraja on n. 10 % materiaalin myötörajasta 3 Liitettävät osat vaurioituvat: - esim. levyosien leikkautuminen liian pienen reunaetäisyyden takia

Ruuviliitosten väsymiskeston parantaminen Seuraavilla keinoilla pyritään tasaamaan ruuvin ensimmäisen kierteen kannettavaksi tulevaa suurta osaa ruuvin aksiaalivoimasta: - Valitaan korkeampi mutteri, jos mahdollista - Valitaan mutterimateriaali, jonka kimmokerroin on pienempi kuin itse ruuvilla (esim. kevytmetalli tai valurauta) - Huolehditaan riittävästä ruuvin esikiristyksestä - Lisäksi vaikuttavat mm. pinnanlaatu, kierreprofiili, ruuvin muu muotoilu ja kierteen valmistustapa (kylmämuovaus edullinen)

A) Perusaineen hitsattavuus kemiallinen koostumus raekoko, mikrorakenne karkenemistaipumus lämpölaajeneminen B) Rakenteellinen hitsattavuus rakenteellinen muotoilu voimien vaikutussuunta hitsatuissa liitoksissa hitsattujen liitosten sijoitus rakenteen jäykkyyserot C) Valmistuksellinen hitsattavuus tarvittava esivalmistelujen määrä, railomuodot tarvittavat lämpökäsittelyt lämmöntuonti, hitsausprosessi

Hitsausprosessien valinta- ja vertailukriteerien yhdistäminen materiaalin valintaan Lämmöntuonti Lämpökäsittelyjen tarve Lisäaine Liitosmuodot ja railomuodot Liitettävät materiaalit ja ainevahvuudet Hiiliekvivalentin laskeminen (eri laskukaava eri materiaaliryhmille) Hitsisulan suojaus Mekanisointi / robotisointi / automatisointimahdollisuus Esivalmistelujen tarve Hitsaajan ammattitaidon merkitys Paloaikasuhde tmv. Hiiliekvivalentti voi olla suuntaa-antava lukuarvo materiaalin hitsattavuudesta, mutta lisäksi on otettava huomioon valmistettavan konstruktion rakenteellinen ja valmistuksellinen hitsattavuus.

Hitsausprosessien valinta vs. materiaalin valinta Esimerkiksi ruostumattomien teräksien hitsaukseen sopivia prosesseja: Plasmahitsaus MAG (Argon + happi) TIG Esimerkiksi alumiinin, kuparin ja titaanin hitsaukseen sopivia prosesseja: MIG (Argon) Esimerkiksi muovikalvojen liittämiseen sopiva prosessi: UÄ-hitsaus

MATERIAALIN VALINTA LIIMALIITOKSISSA Liimatyyppi tulee valita siten, että liima sopii: halutulle lämpötila-alueelle (monien liimojen leikkauslujuus putoaa rajusti lämpötilan kohotessa yli + 75 C) liimattaville materiaalipareille (syanoakrylaatti-, epoksi-, akryyli ja polyuretaaniliimat yms.) käyttötarkoitukseen kuivuttuaan (kova - plastinen - elastinen liitos tai esim. liitoksen lämmön- tai sähkönjohtavuus)

Repäisy Kuorinta Veto Leikkaus

Kuormittamaton liimaliitos Samaa materiaalia olevat liitettävät osat venyvät samalla tavalla ja liimasaumaa kuormi- tetaan symmetrisesti. Eripariliitos, jossa toinen liitettävä osa venyy enemmän. Tämä johtaa liimasauman epäsymmetriseen kuormittumiseen ja liimalta vaaditaan kimmoisampaa ainetta vastaavia ominaisuuksia

Materiaalivakio k: G= liiman liukumoduuli E= osien kimmomoduuli a= liimakerroksen paksuus

Murtokuorma kasvaa Limitys l kasvaa Levyn veto- jännityksen ja liima-sauman maksimi-leikkaus-jännityksen suhde Murtokuorma kasvaa Limitys l kasvaa Suhdeluku X, joka riippuu materiaali- vakiosta k, levyn paksuudesta t ja limityksestä l

Kestomuoviliimat Kertamuoviliimat Epäorgaaniset liimat Ei lujuutta vaativiin kohteisiin Nopeaan liittämiseen (syanoakrylaattiliimat) Osien lukitukseen (akrylaattiliimat) Kertamuoviliimat Metallien liittämiseen, lujuutta vaativiin kohteisiin, ei yli +250 C lämpötiloihin Polyuretaaniliimat kylmiin olosuhteisiin (jopa – 200 C) Epäorgaaniset liimat Erittäin korkeisiin lämpötiloihin, +800…+2500 C Keraamien liittämiseen

Terästen lämpökäsiteltävyys Terästen lämpökäsittelyjen suunnittelussa on tunnettava: - Hiilipitoisuus - Seosaineiden määrät ja niiden yhteisvaikutus - Tasapainopiirros ja A1-lämpötila - Esimerkiksi jatkuvan jäähtymisen käyrä (CCT-curve) loppurakenteen suunnittelua varten - Kullakin lämpökäsittelymenetelmällä saavutettavat ominaisuusmuutokset ja niiden hallinta (käsittely muita valmistusvaiheita ennen tai niiden jälkeen - Tuotteen geometrian asettamat reunaehdot - Perinteinen materiaalinlaadun kysymys: Tulisiko valita standardikoostumuksen ylä- tai alarajalla oleva materiaali vai se, jossa vaihtelut ovat pienimmät...  luotettavuustekninen suunnittelu

MUOVATTAVUUDEN ARVIOINTI LUKUARVOJA KÄYTTÄEN - Pienin mahdollinen taivutussäde, joka sallitaan levyn ulkoreunan vielä murtumatta - Yhdellä muovauskerralla aikaansaatava poikkileikkauksen tms. muutos esim. [%] - Tarvittavan valssaus- tai muun muovaavan voiman suuruus - Tarvittavien peräkkäisten muovaavien työvaiheiden lukumäärä - Tarvittava (korotettu) muovauslämpötila (kumpi on kustannustehokkaampi: kylmä- vai kuumamuovaus ?) - Ohuin mahdollinen seinämä venytys- muovauksessa

Muokkauslujittuminen Valssauksessa, taonnassa, vedossa, taivutuksessa jne. muodonmuutoksen seurauksena monirakeisen metallin alunperin tasa-akseliset rakeet venyvät muokkaussuunnassa vaikka tilavuus säilyy vakiona  sitkeys- ja muovattavuus-ominaisuudet muokkaussuunnassa ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa muodostuvat erilaisiksi kovuus ja lujuus kasvavat muokkaukselle altistuneessa kohdassa  muokkauslujittuminen

MATERIAALIEN VALETTAVUUS Vertailukriteereitä: Minimi seinämäpaksuus, joka voidaan valaa Valittu lujuusluokka (saavutettava lujuus ja kovuus suhteessa ainevahvuuteen) Muotti/malli/tuote – materiaaliyhdistelmä Suunniteltavat hellitykset ovat materiaali- ja valumenetelmäkohtaisia Monet alumiiniseokset pyrkivät “takertumaan” teräsmuottien pintaan Muita työvaiheita ajatellen otettava huomioon myös valettavan materiaalin lastuttavuus ja hitsattavuus

Valukappaleen kutistumat Valumetallien kutistuminen jakautuu kolmeen vaiheeseen: - sulakutistuma - kiteytymiskutistuma - kiinteäkutistuma Kaksi ensin mainittua voidaan hoitaa syöttämällä riittävästi ja oikein valumateriaalia muottitilaan. Kiinteäkutistuma on otettava huomioon muottitilan kokoa suunniteltaessa, jottei kappale jää vajaa-mittaiseksi.

Esimerkkejä eri materiaalien kutistuma-arvoista Suomugrafiittiraudat  - 2.8…+ 1.6 % Pallografiittiraudat  - 2.0…+ 1.5 % Valuteräkset (% C n. 0.2)  - 2.2 % Alumiinit  - 6.6 % Messinki  - 5.5 %

MATERIAALIEN PINNOITETTAVUUS Pinnoitteen ja perusaineen ominaisuuksien yhteensovittaminen jäykkyys, lujuus, lämpölaajeneminen jne., korroosionkesto Pinnoitteen ominaisuudet kiinnipysyvyys, pinnoitteen laatu, kestoikä Halpa perusaine ja toimiva ohut pinnoitekerros  kustannusvaikutus Oikein suunniteltu pinnoitus tuottaa materiaalinvalintaan “uusia vaihtoehtoisia materiaaleja”

Korroosiolajit

1 Yleinen syöpyminen Metallin koko pinta syöpyy tasaisella nopeudella Suojaamattomien metallipintojen tyypillinen korroosiomuoto ilmasto-olosuhteissa Mitattavissa helposti painohäviön tai seinämän ohenemisen avulla

2 Paikallinen syöpyminen 2.1 Pistesyöpyminen voi saada alkunsa pinnan urista (pinnankarheus), pintakalvon virheistä, liuoksen eräistä anioneista (Cl -, Br -) tyypillinen metalleissa, joiden korroosionkestävyys perustuu suojaavaan passiivikerrokseen (alumiini, ruostumaton teräs) tyypillinen esimerkki on ruostumattoman teräksen pistesyöpyminen merivedessä

2.2 Kuumakorroosio Paikallisen syöpymisen korroosiomuoto, jonka aiheuttaa polttolaitosten rikki-, natrium- tai vanadiinipitoiset polttotuotteet Metallin päälle muodostuva sula natriumsulfaatti hajottaa metallia suojaavan oksidikerroksen ja aiheuttaa pistesyöpymistä korkean lämpötilan rauta-, nikkeli- ja kobolttivaltaisissa seoksissa Korroosioriski kasvaa moninkertaiseksi yli + 500°C jälkeen, mutta esim. rikkitrioksidi aiheuttaa korroosiota jo alle +200 °C:ssa

2.3 Rakokorroosio (piilokorroosio) Paikallisen syöpymisen korroosiomuoto, joka tapahtuu raoissa, joihin liuos pääsee tunkeutumaan, mutta joissa se ei pääse vaihtumaan samalla nopeudella kuin muilla metallipinnan alueilla Raon koko n. 0.025…0.1 mm, esim. niitti-, ruuvi- ja hitsausliitoksissa Tiivisteliitokset, joissa tiivistemateriaali on liuosta absorboivaa Metallin pinnalla on likaa tms. (hiekkaa) Tyypillinen metalleissa, joiden korroosionkestävyys perustuu suojaavaan passiivikerrokseen (ruostumaton teräs, alumiini)

3 Galvaaninen korroosio Periaatteessa… Esiintyy silloin, kun samassa elektrolyytissä kaksi eri metallia ovat sähköisessä kontaktissa toisiinsa. Alhaisemman elektrodipotentiaalin omaava (epäjalompi) metalli muodostuu anodiksi ja syöpyy. Mitä kauempana elektrodipotentiaalisarjassa metallit toisistaan sijaitsevat, sitä todennäköisempää on galvaanisen korroosioparin syntyminen. Mutta muista myös, että… Galvaaninen pari voi syntyä myös siten, että metalli on kosketuksessa jalomman ei-metallisen sähköäjohtavan materiaalin kanssa (esim. grafiitti) Galvaaninen jalousjärjestys riippuu myös lämpötilasta (esim. Fe vs. Zn +60°C).

Kannatin ja putki ruostumatonta Terästä  Katodi Ruuvi hiiliterästä  Anodi (syöpyy)

Galvaanisen parin muodostuminen ja galvaaninen korroosio betonirakenteessa.

Sovellusesimerkki Galvaanisen ja rakokorroosion yhteisvaikutus

4 Pintaan kohdistuvan mekaanisen rasituksen kiihdyttämä syöpyminen 4.1 Eroosiokorroosio Kun liuoksen liikenopeus kasvaa riittävän suureksi, se pystyy irrottamaan metallin pintaa korroosiolta suojaavia pintakerroksia korroosionopeus riippuu virtausnopeudesta erityisen haitallinen on pyörteinen virtaus (putkiston haarat, mutkat, suuaukot) virtauksen mukana kulkevat kiinteät partikkelit lisäävät kuluttavaa vaikutusta ja johtavat myös mekaanisen kulumiseen

Väärin: Liian syvälle työnnetty haaraputki aiheuttaa eroosiokorroosiota

4.2 Kavitaatiokorroosio (Pitting, kuoppakorroosio) Pintaan kohdistuvaa mekaanisen rasituksen kiihdyttämää syöpymistä on nk. kavitaatio, jossa nestevirtaukseen syntyneet kaasukuplat luhistuvat, jolloin nesteeseen syntyy voimakkaita paineaaltoja, jotka voivat rikkoa metallin pintaa suojaavan passivaatiokalvon (tai muun suojakerroksen) Esiintyy mm. hydraulilaitteissa, laivojen potkureissa, pumppujen siipipyörissä ja putkistoissa Jos passiivikalvo rikkoutuu iskumaisen kuormituksen takia, käytetään joskus myös termiä iskukorroosio

4.3 Hiertymiskorroosio (Fretting-korroosio) Kyseinen, pintaan kohdistuva mekaanisen rasituksen kiihdyttämä syöpyminen, tapahtuu kahden toisiaan vastaan puristetun pinnan välissä silloin, kun pinnat värähdellessään pääsevät liikkumaan hieman toisiinsa nähden Esim. puristussovitteet, ruuvi-, niitti-, kitka- ja kiilaliitokset (esim. löystymisen seurauksena) Esim. laakerit, lehtijouset, vaijerien kosketuskohdat pinnan profiilihuiput murenevat  abrasiivi pinnan oksidikerros murenee  abrasiivi pinnasta irtoaa metallihiukkasia  abrasiivi

Esimerkiksi kutistusliitoksissa jo 1/10 000 mm siirtymä saa aikaan fretting-ilmiön Fretting-ilmiö vaurioittaa kutistusliitosten pintoja ja laakerien tukipintoja Väsymiskestävyys voi laskea jopa 30-50%, murtuma ei tapahdu liitetyn koneenosan kohdalta, vaan hieman sisempää Pintaan esim. lämpökäsittelyllä tuotettu puristusjännitys vähentää fretting-ilmiötä

5 Raerajakorroosio Metalliseosten jähmettymisen, lämpökäsittelyn, hitsauksen tai korkean käyttölämpötilan yhteydessä raerajoille voi muodostua korroosionkestävyyttä heikentäviä yhdisteitä, jolloin metalliseos syöpyy voimakkaasti raerajoja pitkin Raerajakorroosiota voivat aiheuttaa raerajoille suotautuvat epäpuhtaudet tai tietyn seosaineen rikastuminen tai köyhtyminen matriisista raerajojen läheisyydessä (esim. alumiinissa epäpuhtautena esiintyvä rauta voi suotautua raerajoille) Ruostumattomilla teräksillä tapahtuu herkistymisilmiö, jossa lämpökäsittelyn tai hitsauksen yhteydessä raerajoille muodostuu kromikarbidia ja sen viereen jää kromiköyhä alue, johon ei muodostukaan suojaavaa passivaatio-kerrosta

6 Valikoiva syöpyminen Metalliseoksen jokin seosaine tai mikrorakenneosa liukenee muita nopeammin messingin sinkinkato alumiinipronssin alumiininkato hapoissa piipronsseissa piinkato suomugrafiittirautojen grafitoituminen (rauta syöpyy jättäen jäljelle grafiittisuomu-rungon)

7 Jännitystilan ja korroosion yhteisvaikutus 7.1 Jännityskorroosio metalliin muodostuu murtumia korrosiivisten olosuhteiden ja pinnassa vaikuttavan (joko ulkoisesta kuormituksesta tai sisäisistä jännityksistä johtuvan) vetojännityksen yhteisvaikutuksesta happi ja lämpötilan nousu lisäävät jännityskorroosio-herkkyyttä Esimerkkejä: syvävedettyjen tai kylmämuokattujen messinkituotteiden vauriot typpiyhdisteissä (esim. ammoniakki) kylmämuokatut teräkset emäksisissä olosuhteissa austeniittisten ruostumattomien terästen jännityskorroosio hapettavissa kloridiliuoksissa seostettujen terästen vetyhauraus (teräkseen syntynyt vety esim. hitsauksesta johtuen)

7.2 Korroosioväsyminen Korrosiivisessa ympäristössä oleva rakenne joutuu lisäksi värähtelyjen, vaihtokuormituksen tai termisten vaihteluiden alaiseksi Ilman korroosion vaikutusta mitatuissa S-N käyrissä voidaan havaita selvä väsymisraja, jota pienemmät jännitysamplitudit eivät aiheuta murtumaa, mutta korrosiivisissa olosuhteissa väsymisrajaa ei esiinny, vaan hyvinkin pienet jännitysvaihtelut johtavat murtumaan kuorman-vaihtokertojen lisääntyessä esim. putkistot, säiliöt, venttiilit, pumput, akselit

8 Korroosion ehkäiseminen Keinoja on useita: pinnoitus, suojamaalaus rakenteen geometrian suunnittelu edullisemmaksi liitostyypin valinta edullisemmaksi (kierreliitosten välttäminen), sovitteiden oikea valinta hitsausohjeiden tarkka noudattaminen voitelu, värähtelyjen hallinta kuormitussuunnan muuttaminen, sisäisten jännitysten poistaminen (haitallinen vetojännitys), jännityshuippujen pienentäminen muotoilulla korrosiivisen väliaineen eristäminen, inhibiittien käyttö virtaustekniset ratkaisut materiaalin ja/tai materiaaliparin valinta

8.1Materiaalin valinnan suuntaviivoja Monesti materiaalin valinta ei ole keskeisin tekijä korroosiota ehkäistäessä! “Ruostumattomat” teräkset on laaja materiaalien ryhmä, jonka sisällä eri lajien korroosionkestävyys vaihtelee huomattavasti Monesti on järkevää pohtia myös pinnoitteiden käyttöä

8.2 Huomioon otettavat pääkohdat Valittaessa konstruktiomateriaalia korrosiivisiin olosuhteisiin joudutaan ottamaan huomioon useita näkökohtia, esim: Jännitys- tila Lämpötila Kemiallinen ympäristö Materiaali- pari Konstruktio- materiaali Suuniteltu tuotteen valmistus Pinnoitus

MATERIAALI SEOSTUS KAKSI KESKEISTÄ VAATIMUSTA

PINNAN KOVUUS MATERIAALI- PARI MATERIAALI

PINNAN KOVUUS MATERIAALI- PARI MATERIAALI

MATERIAALI- PARI MATERIAALI

9 Valuraudat Kaikissa ilmasto-olosuhteissa, merivedessä sekä maahan upotettuna on suomu- ja pallografiittirautojen korroosionkesto parempi kuin seostamattomilla teräksillä Pallografiittirautojen korroosionkesto on parempi kuin suomugrafiittirautojen Seostetuilla erikoisvaluraudoilla saavutetaan vielä paremmat korroosionkesto-ominaisuudet (esim. Ni-seostus)

10 Ruostumattomat teräkset

Ferriittiset

Martensiittiset

Duplex

12 Alumiini ja alumiiniseokset Cu tekee seoksista karkenevia => lisää lujuutta ja kovuutta, haitallinen vaikutus korroosionkestävyyteen Si alentaa sulamispistettä ja parantaa juoksevuutta, yhdessä Mg:n kanssa antaa tulokseksi karkenevia seoksia, joilla hyvä korroosionkestävyys Mg parantaa lujuutta ja kovuutta vaikuttamatta korroosionkestävyyteen ja hitsattavuuteen Mn lisää lujuutta vaikuttamatta haitallisesti sitkeyteen Pb, Ti, Zr, Li työstöominaisuuksien parantaminen, kuumahalkeilun välttäminen, lujuus jne.

Alumiinin ja sen seosten korroosionkestävyys ilmastollisissa olosuhteissa on hyvä verrattuna hiiliteräkseen. Oksidikerros suojaa alumiinin pintaa olosuhteissa, joissa syövyttävän ympäristön pH on alueella n. 4 - 8.5 Pistekorroosio on alumiinin yleisin korroosiomuoto Jännityskorroosio on alumiineilla harvinainen Jos alumiini liitetään kiinni jalompaan metalliin on olosuhteista riippuen galvaaninen korroosio mahdollinen

13 Korroosionopeuden mittaus Eri keinoja: laboratoriokokeet, kiihdytetty korroosio korroosion seuranta prosessin aikana Korroosionopeus voidaan esittää syöpymän syvyytenä aikayksikössä tai painohäviönä pinta-alayksikköä ja aikayksikköä kohden väliaineen ominaisuuksien mittaus (tiheys, reaktiotuotteet, liuosten sähkönjohtavuus, galvaanisen virran mittaus, vedyn aiheuttaman paineen mittaus jne.) eri korroosiolajeille sopivat menetelmät esim. akustinen emissio jännityskorroosiolle

Esimerkki standardien käytöstä… Teräksen keskimääräinen korroosionopeus r - ensimmäisenä käyttövuotena, - ensimmäisen 10 vuoden aikana ja vakiokorroosionopeus sen jälkeen standardien ISO 9223 ja ISO 9224 mukaan rasitusluokissa C2…C4. Rasitusluokka r (1.vuosi) r (10 vuotta) r (vakio) C2 1,3…25 mm 0,5…5 mm/a 0,1…1,5 mm/a C3 25…50 mm 5…12 mm/a 1,5…6 mm/a C4 50…80 mm 12…30 mm/a 6…20 mm/a Ilmaston rasitusluokitus: - ilmastokorroosio on jaettu luokkiin C1…C5 - C1 vastaa erittäin lievää ja C5 erittäin ankaraa korroosiorasitusta Suomessa kysymykseen tulevat luokat C2, C3 ja C4 (mittausten mukaan Helsingin syövyttävyysluokka on C3-C4 ja sisämaassa luokka on C2-C3).

Esimerkki käytännön vertailusta…

Kuluminen

1 Huomioon otettavat tekijät valittaessa materiaalia kuluttavaan kohteeseen Valittaessa konstruktiomateriaalia kuluttaviin olosuhteisiin joudutaan ottamaan huomioon useita näkökohtia, esim: Materiaali- pari Ympäristö- olosuhteet Hallitseva kulumis- mekanismi Pinnan- laatu Konstruktio- materiaali Voitelu- tilanne Liikkeen luonne Kosketus- kohdan väliaine Voideltu/ Voitelematon Öljy/ rasva

1.1 Peruslähtökohdat valittaessa materiaalia kuluttavaan kohteeseen: Kuluminen on monen tekijän yhteisvaikutuksen tulos. Eri kulumismekanismit voivat vaikuttaa yhtäaikaisesti, mutta usein niistä voidaan osoittaa hallitsevin. Tärkein keino estää liikkuvien osien kulumista on voitelu. Tästä syystä kulumismekanismien ja voitelutilanteiden tarkastelu tehdään samalla kertaa. Joskus on edullista “antaa” koneenosan kulua: valitaan helposti vaihdettava ja ympäristöä vähän vaihdon jälkeen rasittava kohde, joka saakin kulua. Kuluva osa toimii “sulakkeena” kalliimpiin osiin nähden.

2 Kulumismekanismit Adheesiokuluminen Abraasiokuluminen Väsymiskuluminen Tribokemiallinen kuluminen

2.1 Adheesiokulumisen periaate Hitsauma Liike Partikkeli

Adhesiivisen kulumisen minimointi edellyttää kulumiseen osallistuvilta materiaaleilta: Hyvää pinnanlaatua ts. vaaditaan esim. hyvää koneistettavuutta Korkeaa pintakovuutta Materiaalien matalaa liukoisuutta toisiinsa Materiaalien toisistaan poikkeavaa kiderakennetta Vähäistä lujittumistaipumusta muokkauksen ansiosta Materiaalia/ materiaaliparia, joilla on sopiva pintakerros, joka estää tarttumisen puhtaassakin materiaaliparin kosketuksessa (esim. valurautojen grafiitti)

Adhesiivinen tartunta

2.2 Abraasiokulumisen periaate Kuormitus Abrasiivi Liike Abrasiivi Kulumis- hiukkanen Pehmeämpi materiaali

Korkeaa pintakovuutta (kovempi kuin abrasiivipartikkelit) Abrasiivisen kulumisen minimointi edellyttää kulumiseen ”osallistuvilta” materiaaleilta: Korkeaa pintakovuutta (kovempi kuin abrasiivipartikkelit) Kuumalujuutta Muokkauslujittumiskykyä (lujuus ja kovuus kasvavat) Työstökarkenevuutta muokkauksen ansiosta

Kovuuden merkitys ehkäistäessä abrasiivista kulumista Korkea pintakovuus ei rajatta kasvata kulumiskestävyyttä, sillä kovimmilla materiaaleilla murtumissitkeys on monesti pieni, jolloin kulumishiukkanen irtoaa hauraasti murtumalla (ja kulumisnopeus kasvaa) Parempi keino on pyrkiä parantamaan kovemman pinnan pinnanlaatua (esim. lastuttavuus) Toinen keino on valita materiaalipari, jossa kulumispartikkelit puristuvat pehmeämpään pintaan ja lujittavat sitä

Voitelun merkitys ehkäistäessä abrasiivista kulumista Puhdas suodatettu voiteluaine kuljettaa kosketuskohdasta pois abrasiiveja ja on eduksi Pitkään käytetty ja suodattamattomia partikkeleja sisältävä voiteluaine pahentaa abrasiivista kulumistilannetta

Tyypillinen abrasiivisen kulumisen tilanne: Tavallisin koneenosia abrasiivisesti kuluttava aineosa on hiekan kvartsikide, jonka kovuus voi olla n. 800…1000 HV Abrasiivista kulumista kestäviä metallisia aineita (kun kuluttavan partikkelin kovuus on max. 800 HV): osa kuulalaakeriteräksistä kromatut pinnoitteet osa pintakarkaistuista teräksistä nitratut teräkset

2.3 Tribokemiallinen kuluminen Pintojen välissä oleva väliaine reagoi kemiallisesti pintojen kanssa esim: voiteluaineen lisäaine, vesi, kaasu Kulumisesta muodostuu yleensä eri kulumismekanismien yhteistulos: reaktiotuotteet voivat aiheuttaa abraasiokulumista pinnat, joilla on tapahtunut kemiallisia reaktioita, voivat olla alttiimpia adheesiokulumiselle

Tribokemiallinen kuluminen (Esimerkkejä) Polttoaineessa oleva rikki muodostaa korroosiota aiheuttavia yhdisteitä sylintereiden pinnoille ja johtaa suoraan kulumiseen Ilmassa hapettuvan metallin pinnalle syntyy aluksi suojaava oksidikerros (esim. alumiini). Kun kerros tulee liian paksuksi, se voi lohjeta kovana ja hauraana nopeuttaen muita kulumisen lajeja. Metalliset kloridit, sulfidit ja fosfaatit ovat pehmeitä korrosiivisen kulumisen tuotteita. Toisaalta ne suojaavat pintaa hyvin adhesiiviselta kulumiselta, sillä ne toimivat “voiteluaineena”.

Tribokemiallisen kulumisen vähentäminen Voiteluaineen suodatus ja vaihtaminen (vesi öljyn seassa) Voiteluaineen ja sen lisäaineiden valinta materiaaliparin mukaan Tiivistysratkaisujen oikea toteutus

2.4 Väsymiskuluminen Pinnat ovat toisiaan vastaan vierivässä ja/ tai liukuvassa kosketuksessa Pintaan tai heti pintakerroksen alle syntyy jännitysvaihtelu, josta syntyy väsymishalkeamia Kuormituksen jatkuessa halkeamat kasvavat Lopulta pinnasta lohkeaa partikkeleja ja pintaa “kuoppautuu” (pitting)  väsymiskuluminen johtaa usein myös abraasiokulumiseen Esiintyy mm. hammaspyörissä, nokkamekanismeissa ja laakereissa

Väsymiskulumisen estäminen Kuluminen ei saa lähteä liikkeelle, koska se etenee nopeasti ensimmäisen halkeaman synnyttyä Hyvä pinnanlaatu, perusmateriaalin sopivan pinnoitteen valinta sekä tasainen pinnoitteen laatu parantavat kulumiskestävyyttä Karkaistun kerroksen ominaisuudet valittava oikein (kovuus ja paksuus)

3 Kulumista kestävän materiaalin ominaisuudet Materiaalin/ materiaaliparin valinta voidaan tehdä hallitsevan kulumismekanismin perusteella, jolloin joudutaan tekemään kompromissi seuraavien ominaisuuksien suhteen: kitkakerroin pinnassa metallien liukoisuus toisiinsa (adheesio) itsevoitelevuus korroosionkesto karkenevuus ja maksimi kovuus kimmoinen muodonmuutoskyky lastuttavuus tai muuten saavutettavissa oleva pinnanlaatu

3.1Abrasiivista kulumista kestävät pinnoitteet ja materiaalit Kestävyys paranee Termiset pinnoitteet WC/Co CrC, CrN Keraamiset pinnoitteet Typetysteräkset Hiiletyskarkaistut teräkset

Suuret kuormat Kestävyys paranee Pienet kuormat CrC CrN Paksut keraamiset pinnoitteet Booriteräkset Hiiletyskarkaistut teräkset Typetysteräkset Termiset WC/Co Kestävyys paranee Pienet kuormat Termiset pinnoitteet WC/Co Plasmapinnoitus Oksidointi:Cr, Al CrC, CrN Typetysteräkset Hiiletyskarkaistut teräkset Austeniittiset ruostumattomat teräkset Ohuet keraamiset pinnoitteet

4 Kulumista kuvaavan tunnusluvun määrittäminen Archard:n laskukaava: V =ki×F × s V = pois kulunut ainemäärä ki = kulumisparikerroin F = normaalivoima s = liikepituus kulumiskohdassa Kaava ei ole riippuvainen kosketusalasta ja kaikki koskettaviin pintoihin ja materiaalipariin liittyvät ominaisuudet sisältyvät kertoimeen ki

Muunnettu laskukaava: V =Ki×SC2 × RC3 V = pois kulunut ainemäärä S = syntyvä kosketusjännitys kulumiskohdassa R = kuluttavien kuormituskertojen lukumäärä Ki , C2,C3 = materiaaliparista ja pinnan eri ominaisuuksista riippuvat kertoimet Muunnettu kaava ottaa huomioon mm. paikalliset pinnanprofiilin vaikutukset kulumiseen sekä kuluttavan kuormituksen syklisen luonteen Eräissä yksinkertaisissa tapauksissa pelkkä kitkakerroinkin eri materiaalipareille on hyvä mittari