Ruostumattomien terästen laadut - osa 2/6 -- Austeniittiset ruostumattomat teräkset --

Austeniittiset ruostumattomat teräkset ovat ylivoimaisesti ruostumattomien terästen käytetyin luokka. Niiden käyttö kattaa noin 75 % markkinoilla liikkuvasta ruostumattomasta teräksestä. Austeniittisten laatujen osuudesta kromi-nikkeli-seokset kahmaisevat hieman yli 70 %. Yleisesti ottaen edellä mainittujen laatujen runsas käyttö johtunee monesta eri tekijästä:

• hitsaus on helpompaa kuin muiden laatujen
• muovattavuus on erinomainen
• sitkeys pysyy erittäin mataliin lämpötiloihin asti suurena
• saatavuus ja kattavuus erilaisissa tuotemuodoissa on erinomainen
• korroosionkesto hyvä tai erinomainen
• on totuttu käyttämään austeniittisia laatuja.

Perinteiset austeniittiset laadut sisältävät raudan ja kromin lisäksi nikkeliä. Kromi-nikkeli-seoksista käytetään usein nimitystä 300-sarja, joka tarkoittaa AISI-standardin määrittämää ryhmää, esim. AISI 304 ja AISI 316. Näiden rinnalle on kuitenkin osaltaan tulleet seokset, jotka sisältävät nikkelin sijasta/lisäksi mangaania. Mangaaniseosteiset laadut (ns. 200-sarja) kattavat nykyään jo noin 30 % austeniittisten laatujen käytöstä (vuonna 2002 käyttö oli noin 7%). Nikkelin määrää yritetään todella vähentää, jotta ruostumattoman teräksen hinta saataisiin mahdollisimman kilpailukykyiseksi. 200-sarjan laadut eivät kuitenkaan omaa ihan yhtä hyviä ominaisuuksia kuin perinteiset laadut.

Austeniittisissa laaduissa on 16 - 28 % kromia, joka suosii ferriittistä kiderakennetta. Kuitenkin yli 6 % nikkeliseostuksella teräs saadaan pysymään kokonaan austeniittisena riippumatta lämpötilasta. Näissä seoksissa onkin nikkeliä yleensä 7 - 32 %. Lisäksi niin sanotut haponkestävät laadut ovat seostettu molybdeenilla, jota on yleisesti käytetyissä laaduissa 2 -3 %, mutta erikoislaaduissa sitä on jopa 8 %. Kuvassa 1 nähdään, millä kromi-nikkeli-alueella teräs on austeniittinen (oranssi väri).

Kuva 1. Seosainepitoisuuksien vaikutus syntyvään mikrorakenteeseen. 

(Muokattu: Outokumpu Stainless Oy, 2001).

Alla on esitetty kuva austeniittisten laatujen kehittymisestä. Ensimmäinen ja samalla vieläkin käytetyin laatu, AISI 304, on kuvassa keskimmäisenä - siitä kaikkien laatujen kehitys on lähtenyt. Kuvaan on lisätty ainoastaan käytetyimmät laadut (kuva 2).

Kuva 2. Austeniittisten laatujen kehittelypuu.
(Muokattu: The Euro Inox Handbook of Stainless Steel)

Austeniittiset ruostumattomat teräkset ryhmitellään esimerkiksi standardissa SFS-EN 1011-3 kolmeen eri ryhmään lähinnä hitsattavuuden mukaan, muitakin jaotteluja tietenkin on. Mainitussa standardissa jaottelu on suurin piirtein seuraavanlainen:

• austeniittiset vakioteräkset, eli käytännössä AISI 304, AISI 316 ja näiden lähimuunnokset (vähähiiliset ja stabiloidut laadut)
• täysausteniittiset laadut, jotka ovat 100 % austeniittisuuden vuoksi herkkiä kuumahalkeilulle
• muut austeniittiset laadut, joihin lukeutuu esimerkiksi typpiseostetut, tulenkestävät ja hyvin koneistettavat laadut.

Vakioteräksissä ei ole mitään kovinkaan ihmeellistä; kromipitoisuus on 16 - 20 %, nikkeliä ne sisältävät 6 - 15 % sekä molybdeeniä 0 - 3 %. Vuonna 2002 Suomessa käytetystä ruostumattomasta teräksestä 95 % kuului vakioterästen ryhmään. Tämä suhde tuskin on vuosien saatossa paljoakaan muuttunut - ehkäpä muutaman prosentin tiputus on käynyt, kun ferriittisille ja lean duplex -laaduille löydetään koko ajan enemmän käyttökohteita ja niitä uskalletaan käyttää yhä enemmän.

Täysausteniittiset laadut ovat erittäin runsaasti seostettuja, kalliita ja usein kestävät korroosiota huomattavasti paremmin kuin peruslaadut. Kromipitoisuus voi nousta 28 %:iin, nikkelipitoisuus 32 %:iin ja molybdeeniä voi olla jopa 8 %. Eräs esimerkki näistä laaduista on EN 1.4539, joka sisältää nikkeliä 25 %, kromia 20 % ja molybdeeniä 5 % (puhutaan laadusta 904L). Tämän laadun hinta on vakioteräksiin verrattuna tällä hetkellä noin 15-kertainen, eikä tämä laatu ole edes vielä kallis!

Muita, melko vähän käytettyjä laatuja, ovat muun muassa vakioterästen typpilujitetut versiot, tulenkestävät austeniittiset teräkset (laadut numeroilla EN 1.48xx) sekä koneistettavuudeltaan parannetut laadut. Korkeatyppiset muunnokset kestävät paremmin korroosiota, koska typellä on erittäin suuri vaikutus ruostumattomien terästen korroosionkestoon. Typpi toimii myös seosten lujittajana. Tulenkestävissä teräksissä on usein suuri kromipitoisuus ja seosaineena myös piitä, jotta ne saadaan kestämään korkeissa lämpötiloissa tapahtuvaa hilseilyä vastaan. Koneistettavuutta parannetaan runsaahkolla rikkiseostuksella, mutta rikkiseostus heikentää näiden laatujen korroosionkestoa sekä hitsattavuutta huomattavasti.

Käyttökohteita voi austeniittisille laaduille luetella loputtomiin. Määrällisesti suurin käyttöalue löytynee prosessiteollisuudesta, jossa säiliöt, putket ja laitteet ovat hyvin usein perusausteniittisia laatuja. Myös paperi- ja selluteollisuudessa näitä laatuja käytetään erittäin monessa sovelluksessa. Arkipäiväisempiä esimerkkejä ovat esimerkiksi tiskipöydät, ruokailuvälineet, erilaiset kulhot ja koriste-esineet. Kalliita täysausteniittisia laatuja käytetään esimerkiksi ureasäiliöissä, elintarviketeollisuuden erilaisissa kohteissa, erittäin korrosoivien aineiden siirtolaitteistoissa sekä esimerkiksi kohteissa, joissa ei sallita magnettiisuutta (esim. erilaiset mittalaitteet ja miinanraivauskalustot).

Blogin tulevissa kirjoituksissa vertaillaan erilaisten laatujen hitsattavuutta, lastuttavuutta, muovattavuutta ja esimerkiksi iskusitkeysominaisuuksia. Ominaisuuksiin perehdytään tarkemmin, kunhan eri laatuluokat on ensin käsitelty.



Lähteet:
[1] Cunat P-J., The Euro Inox Handbook of Stainless Steel. 2002, Brysseli: Euro Inox.

[2] Cunat P-J., Working with Stainless Steel. 2009, Pariisi: EDP Sciences and Euro Inox. ISBN 978-2-87997-181-0

[3] ISSF - international stainless steel forum, Stainless steel in figures 2013. Saatavissa: http://www.worldstainless.org/Files/ISSF/non-image-files/PDF/ISSF_Stainless_Steel_in_Figures_2013.pdf (Viitattu: 6.11.2013)
[4] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET

[5] Outokumpu Stainless Oy. Ruostumattomat teräkset. 3. painos. Tampere : Teknologiateollisuus Oy, 2004. Eripainos julkaisusta Muokatut teräkset, raaka-ainekäsikirja 2001. 951-817-839-9.

Alumiinilaatujen jaottelu

Kuten aiemmassa kirjoituksessa kävi ilmi, on alumiinilaatuja paljon erilaisia moneen eri tarkoitukseen. Laadut voidaan ryhmitellä esimerkiksi seostuksen mukaan eri luokkiin. Puhtaan alumiinin joukkoon lisätään seosaineita parantamaan lujuutta, korroosionkestävyyttä tai esimerkiksi valettavuutta. Tärkeimmät seosaineet ovat mangaani, magnesium, kupari, pii ja sinkki. Myös titaania, zirkonia ja lyijyä käytetään joskus vähäisissä määrin sekä uusimmissa, melko eksoottisissa seoksissa kobolttia, litiumia, scandiumia ja berylliumia.

Perinteisistä lisäaineista kupari parantaa lujuutta, pii alentaa sulamisaluetta ja parantaa juoksevuutta, mangaani lisää lujuutta menettämättä olennaisesti sitkeyttä, magnesium lisää lujuutta menettämättä hyvää korroosionkestävyyttä sekä sinkki antaa magnesiumin ja kuparin kanssa suuren lujuuden. Uusilla seosaineilla sekä uusissa seoksissa yritetään parantaa usein korkeiden lämpötilojen kestävyyttä sekä lisätä seosten lujuutta.

Erilaiset alumiinilaadut voidaan jakaa usealla tavalla tiettyihin luokkiin, mutta perinteisimmät ja tavallisimmat tavat ovat jaottelu lämpökäsiteltäviin ja ei-lämpökäsiteltäviin laatuihin sekä jaottelu seosaineiden mukaan. Lämpökäsittelyn perusteella puhutaan myös karkenevista ja ei-karkenevista laaduista, mutta alumiinin "karkaisun" periaate ei ole sama kuin perinteinen teräksen karkaisu. Alumiiniseosten lujittaminen lämpökäsittelyllä tapahtuu erkautuskarkaisun avulla.

Nykyinen nimikejärjestelmä

Alumiinin nimikejärjestelmä on standardisoitu nykyään yhteneväiseksi amerikkalaisen AA-järjestön (Aluminium Association) kansainvälisen nimikejärjestelmäsuosituksen kanssa. Aikaisemmin Suomessa oli käytössä yksinomaan kemialliseen koostumukseen perustuva nimikejärjestelmä, joka tosin on osittain käytössä vielä nykyäänkin. Uusi, niin sanottu numeerinen järjestelmä, löytyy standardista SFS-EN 573-1 ja kemialliseen koostumukseen perustuva järjestelmä standardista SFS-EN 573-2.

Alumiiniseosten nimike muodostuu merkinnästä EN, jota seuraa tyhjä väli. Sen jälkeen tulee kirjainyhdistelmä AW, jossa A tarkoittaa alumiinia ja W muokattua tuotetta (Wrought). Näiden jälkeen väliviiva ja neljä numeroa, joiden perusteella voi päätellä seoksen pääseosaineet. Lisäksi perään tulee tarvittaessa lisäkirjain, joka tarkoittaa kansallista poikkeamaa. Nelinumeroisen nimikkeen ensimmäinen numero kertoo pääseosaineryhmän seuraavasti:

• 1xxx - puhtaat alumiinit (vähintään 99,00 % alumiinia)
• 2xxx - pääseosaineena kupari
• 3xxx - pääseosaineena mangaani
• 4xxx - pääseosaineena pii
• 5xxx - pääseosaineena magnesium
• 6xxx - pääseosaineena magnesium ja pii
• 7xxx - pääseosaineena sinkki
• 8xxx - muut seosaineet.

9xxx -sarjaa ei käytännössä ole, tai sitä ei ole vielä otettu käyttöön. Numerosarjan toinen numero kertoo muunnoksen epäpuhtausrajoissa tai seosaineissa. Jos toinen numero on nolla, ilmaisee se seostamattoman alumiinin kohdalla ominaiset epäpuhtaudet ja seostetuissa laaduissa sen, että seos on alkuperäinen. 1xxx-sarjan kaksi viimeistä numeroa ilmaisevat alumiinipitoisuuden prosentteina (esim. EN AW-1070A tarkoittaa 99,70% alumiinia). Lopuissa ryhmissä (2xxx - 8xxx) kahdella viimeisellä numerolla ei ole erityismerkitystä; ne vain erottavat saman ryhmän eri seokset toisistaan.

Kemialliseen koostumukseen perustuvassa nimikejärjestelmässä seostamattoman alumiinin puhtausaste ilmoitetaan saman EN AW -alkumerkinnän jälkeen yksinkertaisesti painoprosentteina; esim Al 99,99 tarkoittaa 99,99 % alumiinia. Seostettujen alumiinien nimikkeissä seosaineet luetellaan alenevassa järjestyksessä EN AW-Al -merkinnän jälkeen ja kunkin seosaineen perään merkitään seosainepitoisuus prosenteissa. Esimerkiksi EN AW-AlMg0,7Si tarkoittaa seosta, jossa on alumiinin lisäksi 0,7% magnesiumia ja seosaineena myös pieni määrä piitä. Jos numero- ja kemiallinen nimike halutaan yhdistää, kuten usein tehdään, merkitään ne peräkkäin ja kemiallinen merkintä suositellaan laitettavaksi hakasulkeisiin, esim. EN AW-6063 [AlMg0,7Si].

Valuseosten nimikejärjestelmä on hyvin samankaltainen, mutta etukirjaimet ovat EN AC (C tulee sanasta cast, valaa/valu) ja numeroita on viisi. Nimikkeen neljä ensimmäistä numeroa rakentuu samalla periaatteella kuin muokattujen seosten kanssa ja viimeinen numero on hyvin usein nolla, esimerkkinä melko yleinen valuseos EN AC-AlSi9 on numerojärjestelmällä EN AC-44400.

Lisäksi nimen perässä ilmaistaan lämpökäsittelyn tyyppi tai muokkauslujittamisen aste, esimerkiksi T6 ja H14, mutta niistä lisää seuraavissa kirjoituksissa.

Jaottelu lämpökäsiteltävyyden perusteella

Aikaisemmin mainittuihin ei-lämpökäsiteltäviin seoksiin kuuluu 1xxx, 3xxx, 4xxx ja 5xxx -sarjat. Näiden seosten lujittaminen onnistuu ainoastaan kylmämuokkauksen avulla, jolla saadaan aikaan jopa kuusinkertainen lujuus pehmeäksihehkutettuun tilaan verrattuna. Yleensä muokkauslujittaminen nostaa lujuutta kuitenkin kaksin- tai kolminkertaisesti. Muokkauslujitettujen seosten kanssa täytyy kuitenkin muistaa, että murtovenymä pienenee muokkausasteen lisääntyessä. Lisäksi muokkauslujitettujen laatujen lujuus palautuu lähelle alkuperäistä, pehmeäksihehkutettua, tilaa hitsauksen aiheuttaman lämmön vaikutuksesta. Muuten nämä seokset ovat yleensä hyvin hitsattavia.

Lämpökäsiteltäviin ryhmiin kuuluu loput sarjat eli 2xxx, 6xxx, 7xxx ja 8xxx. Näiden seosten korkea lujuus saadaan aikaan oikeanlaisella lämpökäsittelyllä - erkautuskarkaisulla, joka on lämpökäsittelynä melko haastava. Erkautuskarkaisussa seokseen jää suuria jännityskeskittymiä pienten seospartikkeleiden, erkaumien, ympäristöön - tästä käsittelystä myöhemmin lisää. Lämpökäsiteltävien laatujen hitsattavuuksissa on suuria eroja; löytyy laatuja, joiden hitsaus onnistuu useilla menetelmillä, sekä laatuja, joiden hitsaus on käytännössä lähes mahdotonta. Alla on lopuksi kuva, jossa on jaoteltu yleisiä alumiinilaatuja eri luokkiin (kuva 1).

Kuva 1. Erilaisia alumiinilaatuja jaoteltu ominaisuuksien mukaan.
(Muokattu: http://www.eurokoodi9.fi/topic?6fe8f4750c0bdce335237ffb55961baa)

Lähteet:
[1] Eurokoodi9.fi. 2013. Saatavissa: www.eurokoodi9.fi (viitattu 5.9.2013). Vaatii rekisteröitymisen.
[2] Havas T., Hultin S., Hiitelä E., Matilainen J. & Parviainen M., 2010. Ohutlevytuotteiden suunnittelijan käsikirja. Helsinki. Teknologiainfo Teknova Oy.
[3] Lukkari J., Alumiinit ja niiden hitsaus. 2001, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET
[4] Tampereen Teknillinen Yliopisto. 2005. Ei-rautametallit. Saatavissa: http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_2_1.php (viitattu 5.9.2013).
[5] Teknologiateollisuus. 2013. Alumiinituotteet. Saatavissa: http://www.teknologiateollisuus.fi/fi/ryhmat-ja-yhdistykset/alumiinituotteet.html (viitattu 5.9.2013).

Alumiini - hyötymetalleista nuorin

Alumiini on 127 vuotisen uransa aikana parantanut elinolosuhteitamme huomattavasti ja on vieläkin tärkeässä osassa Euroopan kestävässä kehityksessä. Alumiinin ansiosta nykyiset ajoneuvot ovat turvallisempia ja energiatehokkaampia, rakennukset ja rakennustekniikat ovat energiatehokkaampia sekä esimerkiksi kierrätettävät pakkaukset tuottavat paljon vähemmän loppujätettä. Alumiinituotteet esimerkiksi rakennusteollisuudessa vähentävät enemmän hiilidioksidipäästöjä kuin mitä niiden valmistaminen tuottaa. Jos alumiinia ei olisi löydetty tai sitä ei osattaisi hyödyntää, lentoliikenne nykymuodossaan ei olisi mahdollista. Myöskään nopeita junia, autoja tai lauttoja tuskin olisi olemassa, valaistus oli täysin erilaista sekä useiden elintarvikkeiden säilytys mahdotonta.

Materiaalina alumiini tunnistettiin noin 160 vuotta sitten, mutta hopeanhohtoinen uusi metalli saatiin erotettua kunnolla ensimmäisen kerran vasta vuonna 1886, kun suurin piirtein yhtä aikaa eri puolilla maapalloa yhdysvaltalainen Charles Martin Hall ja ranskalainen Toussaint Héroult liuottivat alumiinioksidia kryoliitista. Varsinaista metallista alumiinia he tuottivat oksidista elektrolyysin avulla. Sama prosessi on vielä nykyäänkin käytössä ja se tunnetaan Hall-Heroultin prosessina.

Alumiinia valmistetaan nykyään enemmän kuin kaikkia muita ei-rautametalleja yhteensä. Joskus alkuaikoinaan se oli arvostetumpaa metallia kuin kulta ja sitä saattoikin löytää ylimystön koruista ja esimerkiksi pöytäkoristeista. Vuoden 1888 ja 1890 välisenä aikana alumiinin hinta romahti täydellisesti, kun Itävaltalainen Karl Bayer keksi tavan, jolla alumiinia voitiin valmistaa bauksiittisavesta. Tämän jälkeen alumiinin laajamittainen teollinen tuotanto oli mahdollista.

Pääsyy alumiinin myöhäiseen valjastamiseen on se, että alumiini ei esiinny luonnossa oikeastaan ikinä metallisessa muodossa, vaan sitoutuneena erilaisiin väliaineisiin, kuten eri kivilajeihin, saveen, muihin maa-aineksiin sekä myös kasvillisuuteen. Alumiinipitoisia suoloja ja rohtoja on käytetty jo antiikin ajoista lähtien - ja käytetään edelleen.

-- Tuotanto --

Alumiinin tuotanto voidaan jakaa kahteen eri luokkaan: primaarinen ja sekundaarinen. Primaarisessa tuotannossa alumiinia pelkistetään oksidista metalliseen muotoon. Sekundaarisessa tuotannossa alumiiniromu sulatetaan ja sulan käsittelyn jälkeen se valetaan esimerkiksi suuriksi palkeiksi, jotka jatkojalostetaan levyiksi, tangoiksi tai esimerkiksi erilaisiksi profiileiksi. Alumiinin kierrätys on erinomainen menestysesimerkki, kun pyritään suljettuun materiaalikiertoon. Esimerkiksi Saksassa kaikesta alumiinituotannosta reilusti yli puolet tehdään nykyään kierrätetystä materiaalista. On uskomatonta ajatella, mutta noin 75 % kaikesta maailmassa tuotetusta alumiinista on vieläkin käytössä.

Alumiini ei tule lisääntyvästä käytöstä huolimatta ihan lähiaikoina loppumaan - tuskin koskaan - sillä se on maapallon yleisin metalli ja kolmanneksi yleisin alkuaine. Suurimmat tuottajamaat ovat tällä hetkellä Kiina (45%), Venäjä, Kanada ja USA. Euroopassa tuotetaan noin 9 % kaikesta alumiinista. USA:n osuus maailman alumiinituotannosta on suhteellisesti vähentynyt, kun taas Kiinan tuotanto lähti 2000-luvun alussa räjähdysmäiseen kasvuun. Vuonna 1888 alumiinin maailmanlaajuinen tuotanto oli yksi kokonainen kilogramma. Tällä hetkellä alumiinin tuotanto hipoo 50 000 000 000 kilogrammaa vuodessa. Se on aika paljon se.

-- Ominaisuuksista --

Alumiini on erinomainen materiaali moneen sovellukseen, mutta sen valmistettavuus on vielä joiltakin osin haastavaa ja käyttökokemukset puutteellisia. Alumiinilla on ominaisuuksia joita ei vielä täysin ymmärretä - hyvä esimerkki tästä on alumiinin väsyminen dynaamisessa kuormituksessa, jota on jokseenkin haastavaa ennustaa nykyisillä käytössä olevilla menetelmillä. Ei voi kuitenkaan sanoa, että väsymiskestävyyden ennustaminen teräksilläkään helppoa olisi. Alumiiniseosten hitsausta on myös pidetty perinteisesti hieman haastavampana kuin terästen. Sitä se joiltain osin tietysti onkin, koska esimerkiksi alumiinin väri ei muutu edes sulamispisteen jälkeen, ja kolme kertaa korkeammassa lämpötilassa sulava, reilusti tiheydeltään perusmateriaalia suurempi, oksidikalvo haittaa hitsaamista. Nykyisiin hitsauslaitteistoihin on tehty kuitenkin keksintöjä ja parannuksia, jotka helpottavat alumiinin hitsausta. Nykyisillä hitsauskoneilla alumiinin onnistunut hitsaaminen ei siis ole mitenkään ylitsepääsemättömän haastavaa.

Alumiini on metalli siinä missä muutkin, mutta siinä yhdistyvä ominaisuuksien kokonaisuus on joissakin sovelluksissa ylivertainen muihin metalleihin tai metalliseoksiin verrattuna. Alumiinin tärkeimpiä ominaisuuksia ovat:

Muokattavuus - alumiini on erittäin sitkeää ja sillä on matala sulamislämpötila. Muun muassa nämä ominaisuudet mahdollistavat alumiinituotteiden hyvin monimuotoisen ja yksityiskohtaisen jalostuksen lähelle lopputuotetta jo tehtaalla, esimerkiksi pursottamalla tai valamalla. Myös koneistus, taivutus, venytys ja muu muovaus onnistuvat yleisimpiin alumiinilaatuihin vaivattomasti.

Keveys - alumiinin tiheys on noin 2,7 g/cm³ eli kolmannes teräksen tiheydestä. Alumiinista ei tosin kannata valmistaa esimerkiksi teräksen kanssa samanlaisella profiililla olevia kantavia rakenteita, koska alumiinin kimmokerroin on myös noin kolmannes teräksen vastaavasta - rakenteista tulisi yhtä jäykkinä siis vain massiivisempia. Profiilit on tästä syystä suunniteltava erikseen ja optimoitava niiden jäykkyys. Alumiinilla voidaan kuitenkin korvata teräksen käyttö monissa kohteissa esimerkiksi ajoneuvo- ja kuljetusteollisuudessa. Siellä säästetään suoraan esimerkiksi polttoainekustannuksissa sekä epäsuoraan kuormakapasiteetin kasvun kautta.

Lujuus - alumiinin lujuus voidaan valita käyttökohteeseen sopivaksi erilaisista seostetuista laaduista, muokkauslujittamisen asteella ja/tai lämpökäsittelyllä. Täysin puhtaan alumiinin myötölujuus on vain 10-20 N/mm², teollisesti puhtaiden laatujen noin 60 - 100 N/mm² (99,5...99,9 % alumiinia). Kuitenkin sopivalla seostuksella ja/tai muokkauslujittamisella alumiinista saadaan yhtä lujaa kuin jotkin teräslaadut ovat. Lujimmillaan nykyiset alumiinilaadut ovat luokkaa 600 N/mm². Alumiini ei menetä myöskään iskusitkeysominaisuuksiaan lämpötilan laskiessa, joten sen käyttö esimerkiksi nesteytettyjen kaasujen kuljetussäiliöissä on ollut merkittävää.

Kestävyys korroosiota vastaan - erittäin ohut oksidikalvo, joka muodostuu ilman hapen vaikutuksesta alumiinin pintaan, suojaa sitä hyvin korroosiolta. Jotkin seokset sopivat jopa meriolosuhteisiin, jossa tiedetään olevan varsin aggressiivinen ympäristö. Jos luontainen suoja ei riitä, voidaan alumiini anodisoida (keinotekoinen oksidikalvon paksuntaminen), maalata tai lakata paremman korroosiosuojan saavuttamiseksi.

Täysin hajuton ja mauton - folio on erittäin hyvä esimerkki alumiinin ainutlaatuisista ominaisuuksista. Vaikka folio tehtäisiin vain 0,007mm paksuksi, se ei päästä läpi valoa, ilmaa, hajuja eikä makua. Lisäksi alumiini ei itsessään ole terveydelle vaarallista eikä aiheuta elintarvikkeisiin mitään sivumakuja. Edellä mainituista syistä alumiinia käytetään erittäin paljon elintarvike- ja lääketeollisuuden pakkauksissa.

Heijastavuus - alumiini heijastaa tehokkaasti valoa ja lämpöä. Nämä ominaisuudet yhdistettynä keveyteen tekevät siitä hyvän materiaalin esimerkiksi pelastushuopien pinnoitteeksi ja valojen heijastuspinnoiksi.

Kierrätettävyys - alumiini on ruostumattoman teräksen tavoin täydellisesti kierrätettävissä ja kierrätys onkin alumiinin kohdalla erittäin tärkeää.  Romu muodostaa alumiinin valmistukselle niin sanotun sekundaarikaivoksen. Romusta sulattamalla energiaa kuluu vain noin 5% siitä määrästä, joka kuluu, kun alumiini valmistetaan esimerkiksi bauksiitista. Myös kierrätyshäviö on erittäin pieni, vain noin 3 %.



Kaipa tuossa Jules Vernen lausahduksessa on jotain perää, vaikka vuonna 1865 alumiini ei kovin yleisessä käytössä vielä ollutkaan...

“This valuable metal possesses the whiteness of silver, the indestructibility of gold, the tenacity of iron, the fusibility of copper, the lightness of glass. It is easily wrought, is very widely distributed, forming the base of most rocks, is three times lighter than iron, and seems to have been created for express purpose of furnishing us with the material for our projectile.”
Jules Vernes, “From the Earth to the Moon”, 1865.



Lähteet:
[1] Budd G.,  Resources and Production of Aluminium. 1999. Birmingham. European Aluminium Association. Saatavissa: http://www.alueurope.eu/talat/lectures/1101.pdf (viitattu 29.7.2013)
[2] D.A.CH Alliance for Aluminium. 2013. Rakenna tulevaisuutta varten - Rakenna alumiinista.
[3] Havas T., Hultin S., Hiitelä E., Matilainen J. & Parviainen M., 2010. Ohutlevytuotteiden suunnittelijan käsikirja. Helsinki. Teknologiainfo Teknova Oy.
[4] Lukkari J., Alumiinit ja niiden hitsaus. 2001, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET
[5] Pohjus, J., 2012. Alumiini 125 vuotta - nuorukainen uransa alkutaipaleella. Hitsaustekniikka. 62. (6/2012), 2.
[6] Tampereen Teknillinen Yliopisto. 2005. Ei-rautametallit. Saatavissa: http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_2_1.php (viitattu 29.7.2013).
[7] Teknologiateollisuus. 2013. Alumiinituotteet. Saatavissa: http://www.teknologiateollisuus.fi/fi/ryhmat-ja-yhdistykset/alumiinituotteet.html (viitattu 29.7.2013).

Ruostumattomien terästen laadut - osa 1/6 -- Alustus aiheeseen --

Kuten jo aiemmin kävi ilmi, ruostumattomia teräksiä on kehitelty useita laatuja, joista jokaisella on hieman erilaiset ominaisuudet. Laadut eroavat niin mikrorakenteeltaan, korroosionkestoltaan, muovattavuudeltaan, hitsattavuudeltaan kuin esimerkiksi koneistettavuudeltaankin. Sadat eri laadut jaotellaan yleensä mikrorakenteen mukaan neljään, joskus viiteen, pääryhmään:

• austeniittiset
• ferriittiset
• austeniittis-ferriittiset eli duplex-teräkset sekä
• martensiittiset ruostumattomat teräkset.

Viides ryhmä on nimeltään erkautuskarkaistavat ruostumattomat teräkset. Tämä ryhmä sisältää kuitenkin mikrorakenteeltaan erilaisia laatuja, joten se ei ole edellä mainitun ryhmittelyn periaatteen mukainen. Käsiteltäköön se kuitenkin omana ryhmänään tämän blogisarjan viimeisessä osassa.

Laatujen mikrorakenne määräytyy pääasiassa kromin ja nikkelin suhteesta ja määrästä. Kuvassa 1 on esitetty periaatekuva ruostumattomien terästen pääseosaineiden vaikutuksesta syntyvään mikrorakenteeseen. Kromin ja nikkelin lisäksi on myös useita eri seosaineita, jotka toimivat niin sanottuina mikrorakennetta stabiloivina aineina. Austeniittia stabiloivia seosaineita ovat nikkelin lisäksi hiili, mangaani, kupari ja typpi. Ferriittiä taas stabiloivat esimerkiksi kromi, pii, molybdeeni, titaani ja niobium. Stabilointi tarkoittaa tässä yhteydessä periaatteessa ferriittisen tai austeniittisen alueen laajentumista tasapainopiirroksessa (edellä tästä hieman lisää).

Kuva 1. Kromin ja nikkelin vaikutus teräksen mikrorakenteeseen 

(Muokattu: Outokumpu Stainless Oy, 2001).

Ripaus metallurgiaa

Jotta ymmärtäisi ruostumattomien terästen käyttäytymistä, on tutustuttava hieman tarkemmin näiden metalliseosten rakenteeseen. Mitä austeniitti, ferriitti ja martensiitti sitten tarkoittavat ja mikä niiden ero on? Käytännössä nämä nimitykset tarkoittavat sitä, miten aineen tai seosten kiderakenne on muodostunut atomitasolla. Kiteen muodostavat atomit voivat olla järjestäytyneet yli kymmennellä eri tavalla, mutta teräksistä ja niiden seoksista puhuttaessa tärkeimmät muodot ovat tilakeskinen kuutiollinen (TKK) ja pintakeskinen kuutiollinen (PKK) kiderakenne. TKK-kiteen ns. yksikkökoppi muodostuu yhdestä kokonaisesta atomista ja kahdeksasta kahdeksasosasta (kuva 2), joten hilakoppi sisältää yhteensä kaksi atomia. PKK-kiteessä atomit muodostavat kuution, jonka jokaisessa nurkassa on 1/8 atomi ja jokaisella kuution pinnalla on puolikas atomi eli yhteensä neljä atomia per hilakoppi (kuva 3). Tällaista rakennetta kutsutaan myös tiivispakkaushilaksi, koska sen tiiviimmin atomit eivät voi pakkautua.

Kuva 2. Ferriittisten terästen tilakeskinen kuutiollinen yksikkökoppi.
(Muokattu: http://www.ndt-ed.org/EducationResources/
CommunityCollege/Materials/Structure/metallic_structures.htm)

Kuva 3. Austeniittisten terästen pintakeskinen kuutiollinen yksikkökoppi.
(Muokattu: http://www.ndt-ed.org/EducationResources/
CommunityCollege/Materials/Structure/metallic_structures.htm)

Kuten kuvista ja edellä kerrotun perusteella voi todeta, näiden kahden kiteen atomien väliin jää erikokoisia tyhjiä tiloja eli niin sanottuja välisijoja (puhutaan myös oktaedri- ja tetraedrikoloista). Jotkin seosaineet ja myös epäpuhtaudet löytävät nämä välisijat ja ne tavallaan liukenevat osaksi kiderakennetta. Erikokoisista tyhjistä tiloista johtuen erilaisiin mikrorakententeisiin liukenee erilainen määrä epäpuhtauksia ja/tai seosaineita.

TKK-muotoinen kiderakenne esiintyy puhtaalla raudalla 910°C asti, jolloin rakennetta kutsutaan α-raudaksi. Korkeammissa lämpötiloissa rauta muuttuu PKK-rakenteiseksi ja sitä kutsutaan γ-raudaksi. Kun lämpötila ylittää 1400°C raudan kiderakenne muuttuu takaisin TKK-muotoon ja sitä kutsutaan δ-raudaksi. Tätä reversiibeliä muuntumista kutsutaan allotropiaksi ja se on erittäin tärkeä ominaisuus raudalle ja sen seoksille, esimerkiksi teräksille. Allotropia mahdollistaa erilaiset lämpökäsittelyt, joista tutuin lienee teräksen karkaisu. Teräksillä TKK-rakennetta kutsutaan ferriitiksi ja PKK-rakennetta austeniitiksi. Ehkä helpoiten havaittava perusero ferriittisellä ja austeniittisella teräksellä on niiden ferromagneettisuus. Ferriitti on ferromagneettinen faasi, mutta austeniittiset teräkset eivät ole ferromagneettisia ja siksi tavallisimpiin ruostumattoman teräksen laatuihin magneetti ei tartu.

Kiderakenteena martensiitti onkin hieman monimutkaisempi. Esimerkiksi aiemmin mainitussa karkaisussa pintakeskinen kuutiollinen rakenne niin sanotusti leikkautuu martensiitiksi äkillisen jäähtymisen vuoksi. Toinen mahdollinen keino saada aikaan martensiittia, on muokata metastabiilia austeniittia, jolloin saadaan aikaan periaattessa samanlainen mekanismi, mutta energia tuodaan materiaaliin eri tavalla. Martensiitin kiderakenne on ferriitin kaltainen, mutta hieman venynyt ja vääntynyt tilakeskinen tetragoninen muoto (kuva 4). Kiderakenne sisältää suuria sisäisiä jännityksiä, joten se on erittäin lujaa ja kovaa. Martensiitti on ferriitin tavoin ferromagneettinen faasi.

Kuva 4. Martensiitin tilakeskinen tetragoninen yksikkökoppi.

(Muokattu: http://www.metal-wear.com/Theory.html)

Martensiittia saa syntymään metastabiilista austeniitista esimerkiksi vääntämällä tavallisen ruostumattoman ruokalusikan varren mutkalle. Muokkautuneesta kohdasta tulee erittäin luja, joten sen oikaisu voi tuottaa vaikeuksia. Martensiitin syntymisen voi todentaa magneetilla - muokkautuneeseen kohtaan ottaa magneetti, muokkaamattomaan osaan ei.

Rauta-kromi seokset

Kuvassa 5 on esitetty rauta-kromi-tasapainopiirros. Kuvassa näkyvä vihreä alue on niin sanottu gammasilmukka, jonka sisäpuolella seokset ovat austeniittisia. Kuvasta voidaan havaita, että vähäkromiset teräkset käyvät läpi ferriitti-austeniitti-ferriitti -muutoksen, joka tarkoittaa käytännössä, että nämä seokset voidaan karkaista ja että lämmöntuonnin (esimerkiksi hitsauksen) vaikutuksesta ne voivat haurastua huomattavasti. Noin yli 13 % kromia sisältävät seokset pysyvät ferriittisenä aina sulaan tilaan asti.

Kuva 5. Rauta-kromi-tasapainopiirros (klikkaa kuva suuremmaksi).

(Muokattu: Cunat P-J., 2002)

Kun rauta-kromi-seokseen lisätään hiiltä ja/tai typpeä (stabiloivat austeniittia), seoksen gammasilmukka laajenee (kuva 6). Eri seosaineiden pitoisuudet määräävät sen, millaiseksi rauta-kromi-hiili-seokset tulevat. Näiden seosaineiden avulla syntyvät teräkset voidaan jakaa martensiittisiin, ferriittis-martensiittisiin ja ferriittiisiin laatuihin, niistä lisää myöhemmin.

Kuva 6. Hiilen ja typen vaikutus rauta-kromi-seoksen gammasilmukkaan.
(Muokattu: Cunat P-J., 2002)

Tasapainopiirroksessa voi myös havaita sinisen ja punaisen alueen. Sinisellä alueella esiintyy erittäin kovaa ja haurasta sigmafaasia. Se koostuu erilaisista metallienvälisistä yhdisteistä ja sen syntyminen pyritään yleensä estämään. Sigmafaasi voi muodostua ongelmaksi runsaasti kromia sisältävillä seoksilla tai jos kromiseoksia käytetään korkeissa lämpötiloissa (yli 350 °C). Punaista aluetta kutsutaan metalliseoksilla usein puuroalueeksi. Tällä alueella seokset ovat sulan ja jähmeän faasin seoksia - toisin sanoen siis puuromaisessa muodossa ennen täydellistä sulamista tai jähmettymistä.

Rauta-kromi-nikkeli seokset

Nikkeli toimii austeniitin stabiloijana eli myös se laajentaa rauta-kromi-tasapainopiirroksen gammasilmukkaa. Nikkelin vaikutus ei kuitenkaan ole läheskään yhtä voimakas kuin hiilen tai typen (1 vs 30). Kuvasta 7 voidaan nähdä, miten nikkeli vaikuttaa rauta-kromi-seosten gammasilmukkaan.

Kuva 7. Nikkelin vaikutus kromi-nikkeli-seosteisen teräksen mikrorakenteeseen.

(Muokattu: Cunat P-J., 2002)

Kuvassa 8 havaitaan austeniitin esiintyminen nikkelin määrän suhteen 18% kromia sisältävässä seoksessa (hyvin yleinen kromimäärä ruostumattomilla teräksillä). Kuvasta nähdään, että alle 2 % nikkeliä sisältävät seokset pysyvät koko ajan ferriittisenä, 2 - 4 % nikkeliä sisältävissä rakenteissa esiintyy kaksifaasinen vyöhyke (austeniitti + ferriitti eli duplex-mikrorakenne) sekä yli 4 % nikkeliä sisältävissä seoksissa austeniittifaasi pysyy stabiilina alle 500 °C lämpötilassa. Kun nikkelipitoisuus ylittää 6 %, seokset pysyvät huoneenlämpötilaan asti austeniittisena.

Kuva 8. Austeniitin esiintyminen nikkelipitoisuuden suhteen. 

Kromipitoisuus seoksessa 18 %. (Muokattu: Cunat P-J., 2002)

Mikrorakenteen ennustaminen

Mikrorakenteen ja seoksen lopullinen laatu, muoto sekä ominaisuudet riippuvat hyvin monesta tekijästä, eikä sen määritys pelkkien seosaineiden perusteella ole helppoa. Tutkijat ovat kuitenkin jo pitkään halunneet ennustaa syntyvän mikrorakenteen käytettyjen seosaineiden perusteella. Tällaisia diagrammeja ja niihin liittyviä tietokoneohjelmia on laadittu useita ja niistä ehkäpä kuuluisin ja käytetyin on Schaefflerin diagrammi, joka on esitetty kuvassa 9 (laadittu vuonna 1949). Sitä käytetään varsinkin eripariliitosten (kaksi eri laatua) hitsauksen yhteydessä helpottamaan seosaineen ja hitsausprosessin valintaa.

Shaefflerin luoman diagrammin avulla pystytään ennustamaan myös hitsien ferriittipitoisuus yleensä riittävän tarkasti (+/- 4 %), kun ferriittipitoisuus on alle 18 %. Kuvassa 10 on esitetty myöhemmin kehitetty DeLong-diagrammi, joka kattaa vain osan Shaefflerin diagrammista, mutta on kattavuusalueellaan tarkempi. Mikrorakenteen ennustamisesta ja siihen käytetyistä diagrammeista kerrotaan enemmän osioissa, joissa syvennytään eri laatujen hitsaamiseen.

Kuva 9. Shaeffler-diagrammi, johon on merkitty mikrorakenteiden 

esiintymisrajat ja ferriittipitoisuus (Muokattu: Cunat P-J., 2002).

Klikkaa kuva suuremmaksi.

Kuva 10. DeLong-diagrammi, joka ottaa huomioon myös nykyään tärkeän
typpipitoisuuden (Muokattu: Cunat P-J., 2002). Klikkaa kuva suuremmaksi.

Yhteenveto

Ruostumattomilla teräksillä esiintyy pääasiassa kolmea eri mikrorakennetta: ferriittiä, austeniittia ja martensiittia; sekä näiden yhdistelmiä. Lisäksi tiettyihin laatuihin voi syntyä erilaisia hauraita metallien välisiä yhdisteitä, kuten sigma-faasia. Mikrorakenne on yksi määräävä tekijä laatujen ominaisuuksien syntymiseen, joten esimerkiksi seosainepitoisuuksia muuttamalla ruostumattomille teräksille saadaan erilaisia ominaisuuksia. Mikrorakenteen voi suurinpiirteisesti ennustaa seosaineiden perusteella esimerkiksi Shaefflerin diagrammista.

Blogissa julkaistaan tulevaisuudessa kirjoitus jokaisesta pääryhmästä erikseen, jossa syvennytään niiden ominaisuuksiin sekä käyttöön. Ennen niitä perehdytään kuitenkin hieman alumiinin ominaisuuksiin.

Lähteet:
[1] Cunat P-J., The Euro Inox Handbook of Stainless Steel. 2002, Brysseli: Euro Inox.
[2] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET
[3] Outokumpu Stainless AB. Corrosion Handbook for Stainless Steels. Tenth Edition. Avesta : Outokumpu Oyj, 2009.
[4] Outokumpu Stainless Oy. Ruostumattomat teräkset. 3. painos. Tampere : Teknologiateollisuus Oy, 2004. Eripainos julkaisusta Muokatut teräkset, raaka-ainekäsikirja 2001. 951-817-839-9.
[5] Tampereen Teknillinen Yliopisto 2005. Atomien järjestäytyminen. Saatavissa: http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_3_3.php. (viitattu 3.5.2013).

Mistä ruostumaton teräs on tullut?

Ruostumaton teräs ei ole yksittäinen alkuaine vaan metalliseos. Itse asiassa se on päänimitys usealle erilaiselle metalliseokselle. Ruostumattomat teräkset ovat rautaseoksia, joiden pääseosaineet ovat kromi ja nikkeli (tai kromi ja mangaani). Lisäksi voidaan käyttää erilaisten ominaisuuksien aikaansaamiseksi esimerkiksi molybdeenia, typpeä, alumiinia tai hiiltä, ja mikroseosaineina titaania, vanadiinia tai niobiumia. Käytännössä teräksessä on oltava kromia vähintään noin 10,5 %, jotta stabiili, itsekorjautuva passiivikalvo muodostuu. Tästä tuleekin ruostumattoman teräksen standardin mukainen määritelmä: vähintään 10,5 % kromia (ja enintään 1,2 % hiiltä).

Kromin vaikutus teräksen korroosioon. Sinisellä merkitty 10,5 % -raja sekä 

yleisimpien laatujen kromipitoisuuksien alue on värjätty oranssilla.

(Muokattu: Lukkari & Kyröläinen, 2002)

Ruostumaton teräs ei siis ole jalometalli, kuten esimerkiksi kulta tai platina, vaan sitä suojaa korroosiota hyvin kestävä, erittäin ohut oksidikalvo (noin 0,000001 mm). Jos kalvo rikkoutuu eikä mahdollisuutta itsekorjautumiselle syystä tai toisesta ole, korroosionkesto menetetään. Kromia on yleisimmissä laaduissa noin 17 - 20 % ja nikkeliä noin 9 %. Hiiltä on näissä laaduissa vain noin 0,03 % ja se onkin ruostumattomissa teräksissä yleensä epäpuhtaus. Seostetuimmissa laaduissa kromia on jopa 27 %, nikkeliä 35 % ja lisäksi molybdeenia voi olla korroosionkestävyyden lisäämiseksi jopa 8 %. Tällaiset superseokset ovat erittäin kalliita ja juuri tiettyjen ominaisuuksien tarve on oltava todellinen, jotta niiden käyttö on järkevää.

Tärkeimpien seosaineiden löytyminen

Ruostumattoman teräksen seosaineista nikkelin tunnisti ja erotti malmista ensimmäisenä länsinaapuristamme kotoisin ollut Axel Cronstedt vuonna 1751. Nikkeli otettiin teolliseen käyttöön seuraavalla vuosisadalla, eli 1800-luvulla, jolloin sitä käytettiin seoksena kuparin ja sinkin kanssa pinnoittamiseen. Tuloksiinsa herra Axel päätyi hieman surkuhupaisasti, sillä hän yritti oikeasti erottaa kuparia nikkoliitti nimisestä malmista. Tämä malmi ei sisällä kuparia vaan nikkeliä ja myrkyllistä arseenia. Malmista hän sai irti vain lujaa ja suhteellisen kovaa, hopeanhohtoista metallia. Hän nimesi löydetyn metallin perinteisen myytin mukaisesti nikkeliksi. Sen ajan perinteinen myytti juontaa juurensa vanhoihin saksien heimon kuparikaivoksiin: kaivoksissa asunut peikko, Vanha Nick (Nickel), nimittäin pilasi kuparimalmin tehden siitä samalla myrkyllistä. Moni kaivosmies kuoli arseenimyrkytykseen louhiessaan mielestään kuparimalmia, mutta malmi olikin nikkoliittia: samannäköistä kuin punertava kuparimalmi, mutta koostumus täysin erilainen. Nykyään nikkeliä jalostetaan  pendlantiitista, garnieriitistä ja limoniitista. Nikkoliitin käyttö on hyvin vähäistä sen myrkyllisyyden vuoksi.

Nikkeliä louhitaan maailmalla pääasiassa Venäjällä, Indonesiassa, Filippiineillä ja Kanadassa. Suurimmat tiedetyt nikkelivarannot ovat Australiassa ja Uudessa-Kaledoniassa. Uudessa-Kaledoniassa asuu reilut 250 000 ihmistä, pinta-ala on vajaa 19 000 km² ja heillä on jalkojensa alla 25 % maailman nikkelivarannoista. Kanadan nikkelivarannot ovat peräisin jättimäisestä meteoriittitörmäyksestä. Malmi sijaitsee Sudburyn kraaterissa, maailman toiseksi suurimmassa törmäyskraaterissa, jonka halkaisija on noin 250 km. Samassa rytäkässä kanadalaisille suotiin melkoiset varannot muun muassa platinaa, kultaa, palladiumia ja kuparia.

Suomessakin louhitaan nikkeliä, tosin määrä on melko vähäinen maailman mittakaavalla. Suomen varannot ovat noin 4 100 000 tonnia ja tuotanto noin 60 000 tonnia vuodessa. Koko maailman tuotanto on tällä hetkellä noin 1 700 000 tonnia, eli Suomen osuus on noin 3,5 %. Nikkeli on laskennallisesti Suomen kaivosteollisuuden tärkein metalli. Tällä hetkellä noin 65 % kaikesta tuotetusta nikkelistä käytetään ruostumattoman teräksen valmistamiseen.

Varsinaisen ruostumattoman teräksen syntymisen mahdollisti ranskalainen kemisti Nicolas-Louis Vauquelin erottamalla puhtaan kromin malmista vuonna 1797. Pääasiallinen malmi kromin valmistuksessa on kromiitti, joka on mustanvälkehtivä kromia sisältävä mineraali. Sitä esiintyy erityisesti Etelä-Afrikassa, noin 61 % koko maailman arvioiduista kromiittivaroista. Suomessa maailman kromiittivarannoista on 2,4 %, mikä on Suomen kansantaloudelle merkittävä määrä. Kromi on laskennallisesti Suomen toiseksi tärkein metalli. Noin 80 % kromituotannosta käytetään ruostumattoman teräksen valmistamiseen.

Kromi on siitä ihmeellinen materiaali, että se on huoneenlämpötilassa kiinteänä antiferromagneettinen ja yli 38°C lämpötilassa se muuttuu paramagneettiseksi. Kromi nimitys tulee kreikan kielen sanasta chrōma, joka tarkoittaa väriä. Kromin eri yhdisteet antavat useille jalokiville ja malmeille värikkään hohdon, kuuluisin ehkäpä rubiinin verenpunainen sävy.

Varsinaisten teräslaatujen keksiminen

Pian kromin löytämisen jälkeen havaittiin sen kestävän erittäin hyvin syövyttäviä aineita, mutta puhtaana se oli kuitenkin erittäin kovaa ja haurasta. Useat eri materiaalitutkijat havaitsivat kromin liukenevan hyvin teräkseen ja parantavan sen korroosionkestävyyttä. Vuonna 1821 ranskalainen Pierre Berthier julkaisi tutkimuksen kromiseosten korroosiokestävyydestä. Samaa asiaa ihmettelivät Englannissa herrat Stoddard ja Farraday. Vuonna 1872, John T. Woods ja John Clark patentoivat muutamia 30 - 35 % kromia ja noin 2 % volframia sisältäviä seoksia. Nämä olivat maailman ensimmäiset nimenomaan säänkestäviksi tarkoitetut seokset (nykyään säänkestävät teräkset sisältävät jotakuinkin 0,5 - 1 % kromia). Vuonna 1875 ranskalainen tieteilijä Brustlein kertoi maailmalle, että rauta-kromi-seosten eräs tärkeimmistä ominaisuuksista on matala hiilipitoisuus. Tämä oli eräänlainen läpimurto ruostumattomien terästen historiassa.

Pari vuosikymmentä myöhemmin saksalainen Hans Goldschmidt esitteli alumiinioksidipelkistyksen, jolla saatiin hiilipitoisuus riittävän alhaiseksi, alle Brustlein esittämän 0,15 %. Tämän jälkeen alkoi tapahtua ja useat materiaalitieteilijät julkaisivat tutkimuksia liittyen rauta-kromi ja rauta-kromi-nikkeli -seoksiin. Näitä olivat esimerkiksi ranskalaiset Leon Alexandre Guillet ja Albert Portevin sekä englantilainen W. Giesen. Käytännössä vuosien 1904 - 1909 aikana oli kehitetty kolme neljästä nykyisistä ruostumattomien terästen luokista; ferriittiset, austeniittiset ja martensiittiset laadut. Teräksiä valmistettiin kuitenkin vain tutkimusolosuhteissa. Vuonna 1911 saksalaiset P. Monnartz and W. Borchers saivat selville maagisen, itsekorjautuvalle passiivikalvolle tärkeän, 10,5 % kromipitoisuusrajan ja he hakivatkin Saksassa huomiolleen patentin. Samat henkilöt tajusivat myös molybdeenin parantavan korroosionkestoa huomattavasti.

Myöhemmin on väitetty, että useat tutkijat USA:ssa (Elwood Haynes: ruostumaton partahöylä 1911), Saksassa (Krupp Works -telakka rakensi The Half Moon nimisen laivan rungon ruostumattomasta teräksestä 1908), ja esimerkiksi Puolassa (Max Mauermann esitteli oman versionsa ruostumattomasta teräksestä vuonna 1913 Wienissä) ovat keksineet ruostumattoman teräksen. Jopa ruotsalaiset ovat yrittäneet omia sen keksimistä itselleen.

Vuonna 1913 Sheffieldistä kotoisin ollut herrasmiesmetallurgi, Harry Brarley, oli mukana luomassa ensimmäisiä ruostumattomasta teräksestä teollisesti sarjassa tuotettuja veitsiä. Laatu, jota veitsiin käytettiin, syntyi oikeastaan vahingossa Brearleyn kehittäessä parempaa materiaalia kiväärien piippuihin. Keksitty ruostumaton laatu sisälsi 12,8 % kromia ja 0,24 % hiiltä (martensiittinen laatu). Samoihin aikoihin Saksassa valmistettiin teollisesti ensimmäiset austeniittiset laadut (Benno Strauss & Eduard Maurer) ja USA:ssa ensimmäiset ferriittiset laadut (Frederick Becket & Christian Dantsizen). Ehkä hieman yllättävääkin, mutta ensimmäiset teolliseen käyttöön valmistetut laadut ovat säilyneet lähes muuttumattomana tähän päivään asti (myös maailman ylivoimaisesti käytetyimmät laadut AISI 304 ja AISI 316). Viimeinen neljästä ruostumattomien terästen pääryhmästä, duplex-teräs, kehitettiin Ruotsissa vuonna 1930 paperiteollisuuden tarpeisiin (keksijänä J. Hochmann). Maailman ensimmäiset duplex-valut tehtiin Suomessa samana vuonna. Duplex-teräkset ovat kuitenkin kehittyneet huomattavasti 80 vuoden aikana, eikä ensimmäisiä keksittyjä laatuja oikeastaan enää käytetä.

Kuten yllä kirjoitetun perusteella voi päätellä, ruostumattomalle teräkselle ei ole yksiselitteistä keksijää, mutta niiden isänä pidetään nykyään, syystä tai toisesta, kuitenkin Harry Brearlya. Vuosi oli 1913, joten onneksi olkoon 100-vuotias ruostumaton teräs!

Alkuvuosien jälkeen ruostumattoman teräksen käyttö lisääntyi hitaasti, mutta varmasti ja uusia käyttökohteita havaittiin kiihtyvällä tahdilla. Siitä valmistettiin lentokoneita, sillä vuorattiin julkisia rakennuksia, siitä tehtiin junien runkoja, kirurgien välineitä, tekoniveliä, oluttynnyreitä, säiliöitä, putkistoja, melkein mitä vain, ja käyttö lisääntyy edelleen. Käytön lisääntyminen on noin 6 % vuodessa. Eikä ihme, onhan kyseessä ylivoimaisesti paras materiaali moneen käyttöön!


Lähteet:
[1] Central Intelligence Agency - The world factbook, New Caledonia. Saatavissa: https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/geos/nc.html
[2] Cunat P-J., The Euro Inox Handbook of Stainless Steel. 2002, Brysseli: Euro Inox.
[3] Impact craters on Earth - North America, Part one. Saatavissa: http://www.thelivingmoon.com/43ancients/02files/Earth_Images_09.html#Sudbury
[4] ISSF, 2012. 100 Years of Stainless Steel. Saatavissa: http://www.stainlesssteelcentenary.info/
[5] Lukkari J., Kyröläinen A., Ruostumattomat teräkset ja niiden hitsaus. 2002, Helsinki: Metalliteollisuuden keskusliitto, MET
[6] Nickel Institut 2011. About nickel. Saatavissa: http://www.nickelinstitute.org/NickelUseInSociety/AboutNickel
[7] Outokumpu Stainless AB. Corrosion Handbook for Stainless Steels. Tenth Edition. Avesta : Outokumpu Oyj, 2009.
[8] Rissanen T., Suomen kaivostoiminnan toimialakatsaus 2010. Saatavissa: http://www3.tokem.fi/kirjasto/tiedostot/Rissanen_B_8_2011.pdf
[9] Suomen Kuvalehti, Eurooppa listasi malmit - Suomessa lupaava määrä kriittisiä mineraaleja. 2010. Saatavissa: http://suomenkuvalehti.fi/jutut/kotimaa/eurooppa-listasi-malmit-suomessa-lupaava-maara-kriittisia-mineraaleja

Arvoisa tiedonjanoinen vastaanottaja!

Olette löytäneet itsenne Jet-Steel Oy:n blogiin ja hyvä niin. Tämä on se paikka, jossa kirjoitetaan totuuksia! Blogin avulla on tarkoitus kertoa toiminnastamme ja avata ihmisille ruostumattomien terästen sekä alumiinin, tuon maailman yleisimmän metallin, joka vasta hetki sitten valjastettiin ihmiskunnan käyttöön, ja sen seoksien sielunelämää.

Yrityksemme haluaa lisätä ihmisten tietoutta ruostumattomista teräksistä sekä erilaisista alumiinilaaduista, jotta niiden käyttö lisääntyisi. Usein ajatellaan, että ruostumaton teräs on vaihtoehtona erittäin kallis tai alumiiniseokset käyttökohteeseen liian pehmeitä. Suosittelen seuraamaan tätä blogia, sillä voitte huomata, että edellämainitut materiaalit ovat usein (varsinkin ohutlevytuotteissa) varteenotettava vaihtoehto perinteiselle teräkselle. On nykyään rakennettu jopa siltoja ruostumattomasta teräksestä, koska se on korrosoivista meriolosuhteista huolimatta huoltovapaa vaihtoehto - elinkaariajattelu kunniaan!

Ruostumattoman teräksen sekä alumiinin käyttö yleistyy maailmalla koko ajan niiden erinomaisten ominaisuuksien vuoksi. Tärkeimpinä ominaisuuksina voidaan pitää:

• korroosionkestävyyttä
• esteettisyyttä
• hygieenisyyttä
• täydellistä kierrätettävyyttä
• palonkestävyyttä (vain ruostumaton teräs)
• erinomaista paino-lujuus-suhdetta (alumiiniseoksilla hyvä).

Suomalaiset ovat siitä erikoinen kansanryhmittymä, että olemme kunnostautuneet kuluttamaan ruostumatonta terästä maailman mittakaavalla huomattavasti, noin 16kg/hlö/vuosi. Samaan lukuun päässee vain Japani. Alumiinin kohdalla tilanne on aivan toinen; kulutamme sitä vain noin 15kg/hlö/vuosi, joka on puolet siitä, mitä esimerkiksi Japanissa, USA:ssa tai Ruotsissa kulutetaan. Ovatko suomalaiset jääneet pimentoon alumiinin käytettävyydestä vai puuttuuko meiltä jokin merkittävä teollisuuden ala?

Blogissa tulemme tutustumaan alumiiniin ja sen seoksiin sekä ruostumattomiin teräksiin materiaaleina, mutta kerromme myös ohutlevytuotteiden suunnitteluun ja valmistukseen liittyvistä yksityiskohdista. Tekstejä on tarkoitus julkaista noin kerran kuukaudessa ja toivon lukijoiden ehdottavan aiheita ja kyselevän heitä mietityttäviä asioita edellämainittuihin materiaaleihin tai niiden työstämiseen liittyen. Tulevia aiheita ovat muun muassa:

• Ruostumattoman teräksen ja alumiinin käyttö nykyään
• Miksi ruostumaton teräs ei ruostu, miksi alumiini kestää korroosiota?
• Onko ruostuomaton teräs aina samanlaista?
• Mitä tarkoittavat esimerkiksi merkinnät 1.4307, 1.4404, AISI304,  AISI316, X2CrNi18-9...
• Miksi magneetti ei jää yleensä kiinni ruostumattomaan teräkseen?
• Miten ruostumaton teräs ja alumiini käyttäytyvät kylmässä?
• Mitä erikoista on ruostumattoman teräksen ja alumiinin hitsauksessa?

Näihin kuviin, näihin tunnelmiin
- Sami Korhonen