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).