Embed Size (px)
Citation preview
2
Esitiedot
Miten sähköjohteisiin käytetyt kuparilaadut poikkevat muista kupariseoksista?
•Miksi puhdas kupari johtaa hyvin sähköä?•Mitä tarkoittaa puhdas kupari?•Miksi epäpuhtaudet laskevat sähkönjohtavuutta?• Liuos, seos ja sähkönjohtavuus
3
Esitiedot
Miten sinkkipitoisuus vaikuttaa kuparisinkkiseoksen ominaisuuksiin?
•Miksi sinkin lisäys nostaa lujuutta ja kovuutta?•Miksi murtovenymä ensin nousee ja sitten laskee kun
sinkkipitoisuus nousee?•Miksi rakenteesta tulee kaksifaasinen?•Miksi liuoslujitus parantaa murtovenymää?•Mitä faaseja Cu-Zn tasapainopiirroksessa on?
Miksi juuri kupari-nikkeli-sinkki seoksista käytetään nimeä uushopea (nickel silver)?
•Miksi seoksen väri muuttuu?
4
Kuparin ominaisuuksia
Teknisen käytön kannalta kuparin tärkeimpiä ominaisuuksia ovat hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky, joissa vain hopea on kuparia parempi.
Kupari on metallien sähkökemiallisessa jännityssarjassa suhteellisen jalo, ja lisäksi sen pintaan muodostuu suojaava oksidikerros. Näiden vuoksi kuparilla on hyvä korroosionkestävyys.
Pintakeskisen kuutiollisen rakenteensa vuoksi kupari on sitkeää ja helposti muovattavaa kaikissa lämpötiloissa.
5
NimeäminenKuparimetallien tunnukset perustuvat kemialliseen koostumukseen. Seosaineita ilmoittavien alkuaine-merkintöjen jäljessä on kirjaimia erottamassa eli kuparilajeja (seostamattomat kuparit) tai numeroita ilmaisemassa seosaineen nimellistä pitoisuutta. Muokatuilla valmisteilla perään liitetään vielä tilamerkintä väliviivalla erotettuna. Valuseoksilla merkinnän edessä on valutapaa osoittava erikoistunnus. Täydellinen merkintä sisältää seostunnuksen ja tilan lisäksi standardimerkinnän (SFS).
• Cu-OF-04 SFS 2905, hapeton kupari, muokkauslujitettu, keskimääräinen muokkausaste noin 10 %
•CuZn39Pb2 SFS 2921, lyijymessinki 39 % Zn, 2 % Pb •GZ-CuPb10Sn SFS 2215, keskipakovalettu lyijytinapronssi
6
NimeäminenAmerikan maalla käytetään usein UNS mukaista luokittelua
• UNS C1xxxx Kuparit• UNS C2xxxx Messingit• UNS C3xxxx Messingit• UNS C4xxxx Messingit• UNS C5xxxx Mangaanipronssit• UNS C6xxxx Piipronssit• UNS C7xxxx Nikkelikuparit ja uushopeat• UNS C8xxxx Valuseokset• UNS C9xxxx Valuseokset
Esimerkiksi edellisessä kalvossa mainittu lyijymessinki on mitä ilmeisemmin C37700 ja lyijytinapronssi taas C93700.
• UNS seoksia löytyy esim. Metals Handbookista: Introduction to Copper and Copper Alloys
7
Toimitustilat
Merkintä perustuu muokkausasteeseen ja/tai lämpökäsittelyyn. Esimerkiksi kylmämuokatulle levylle (ASTM B 601)
•¼ hard = 10,9% = H00•½ hard = 20,7% = H01•¾ hard = 29,4% = H02•Hard = 37,1% = H04•Extra hard = 50,1% = H06•Spring = 60,5% = H08•Extra spring = 68,8% = H10•Special spring = 76,1% = H12•Super spring = 80,3% = H14
8
Toimitustilat
Esimerkiksi hehkutetulle kuparille•Valettu ja homogenisoitu = O01•Valettu ja erkaumakarkaisu = O11•Kuumataottu ja hehkutettu = O20•Kuumavalssattu ja hehkutettu = O25•Kuumapursotettu ja hehkutettu = O30•Pursotettu ja erkaumakarkaistu = O31• jne.
Tapauskohtaiset merkinnät standardeista tai lähdeteoksista...
9
Muokattujen kuparien käyttö
Muokatusta kuparista 75% käytetään puhtaana ja 25% seostettuna. Valtaosa seostetusta kuparista valmistetaan tangoiksi. Langat ja levyt valmistetaan pääasiassa puhtaasta kuparista.
1000 tonniaLangat 2500Tangot 950Levyt 770Putket 680Muut 3260
8160
10
Kupariseokset
Jaottelu•Kuparit >99% Cu•Vähän seostetut kuparit > 96% (dilute-copper alloy, high-
copper alloy)•Messinkit (brass)•Pronssit (bronze)•Nikkelikuparit (copper nickel)•Uushopea (nickel silver, German silver)
11
Kupariseokset
Seosaineiden jaottelu•Liuoslujitus (esim. hylsymessinki)•Dispersio- ja liuoslujitus•Erkaumakarkeneminen (esim. berylliumkupari)•Muu vaikutus (esim. alumiinipronssin karkaisu)• Liukenemattomat seosaineet (esim. lyijy)
12
Liuoslujitus
Kertausta•Liuoslujitukessa hila-
atomien sekaan liuenneet kooltaan erilaiset atomit vääristävät hilaa
•Hila on vääristynyt myös dislokaation ympäristössä
•Liuennut atomi haittaa dislokaation liikettä, joten myötölujuus nousee
13
14
Liuoslujitus
Seosainepitoisuuden lisääminen nostaa lujuutta lineaariseesti
•Seosatomien ja hila-atomien suuri koko ero edistää lujittumista
• Suuri koko ero pienentää tyypillisesti liukoisuutta
Kertausta•Mitä muut tekijät
vaikuttavat liukoisuuteen?
Atomisäteetpm
Kupari 135 0 %Berillium 105 -22 %Pii 110 -19 %Alumiini 125 -7 %Sinkki 135 0 %Nikkeli 135 0 %
15
Liuoslujitus
Aukottoman liukoisuuden edellytykset
•Kokoero pienempi kuin 15%
•Sama kiderakenne•”Sama”
elektronegatiivisuus•”Sama” valenssi
Tasapainopiirroksen avulla on mahdollista arvioda eri seosaineiden vaikutusta
276 MPa
69 MPa
16
Tasapainopiirros
Mahdollista määrittää kokeellisesti tai laskennallisesti
•Tasapainossa olevien rakenteiden kemiallinen analyysi• Jäähtymiskäyrät•Röntgendiffraktio•Fysikaalisten ominaisuuksien muuttuminen•Metallografia•Termodynamiset laskelmat
17
Jäähtymiskäyrät
18
Jäähtymiskäyrät
19
Jäähtymiskäyrät
20
Termodynamiset laskelmat
Jokaiselle faasille voidaan laskea ns. vapaaenergia. Termodynamiikan mukaan se faasi (tai faasien yhdistelmä) on stabiili jolla on pienin vapaaenergia. Vapaaenergia tarkastelu voidaan tehdä puhtaalle aineella
• allotropia• sulaminen
tai seoksille.
21
Termodynamiset laskelmat
Aukoton tasapainopiirros• Tasapainopiirrokset konstruoimiseksi
tarvitaan sulan ja kiinteän faasin vapaaenergia käyrät muutamassa lämpötilassa.
• Vapaaenergia käyrän minimi on usein keskivaiheilla
•Sulan faasin käyrä ollessa kokonaan kiinteän faasin käyrän alapuolella -> sula faasi on stabiili
22
Termodynamiset laskelmat
Jos käyrät leikkaavat, piirretään käyrille yhteinen tangentti
•kiinteän faasin stabiilisuusalue alkaa tangentin ja a faasin käyrän leikkauskohdasta
• sulan faasin stabiilisuusalue alkaa tangetin ja L faasin käyrän leikkauskohdasta
•välissä on a + L stabiilisuusalue (puuroalue)
Käyriä käydään läpi kunnes koko tasapainopiirros on tehty.
23
Termodynamiset laskelmat
25
Termodynamiset laskelmat
Lämpötilassa T1 sulan faasin vapaaenergia on aina pienempi kuin kiinteän faasin. Sula faasi (L) on stabiili millä tahansa koostumuksella.
26
Termodynamiset laskelmat
27
Termodynamiset laskelmatLämpötilan laskiessa kiinteän faasin vapaaenergia käyrä leikkaa sulan faasin vapaaenergia käyrän.
• Sulan ja kiinteän faasin vapaaenergia käyrillä on yhteinen tangentti, joten systeemi minimoi vapaaenergiansa muodostamalla faasiseoksen
• Tasapainopiirroksessa esiintyy lämpötilassa T2alueet α, α+L ja L.
28
Termodynamiset laskelmat
29
Termodynamiset laskelmatKiinteän faasin vapaaenergia käyrä leikkaa sulan faasin käyrän molemmissa päissä.
• Komponentin A puolella α ja α+L faasien stabiilisuusalue on kasvanut
• Komponentin B puolella on syntynyt β faasin stabiilisuus alue, sekä yhteisen tangentin alueelle β+L faasin stabiilisuusalue
α ja β faasilla on samanlainen kiderakenne, koska niiden stabiilisuus alueet ovat samalla vapaaenergia käyrällä
30
Termodynamiset laskelmat
31
Termodynamiset laskelmat
Vapaaenergia käyriltä löytyy yhteinen tangentti faaseille α, βja L.
•Tasapainopiirroksessa esiintyy silloin α faasin stabiilisuusalue välillä 0 -Cα, sulan faasin stabiilisuusalue täsmälleen koostumuksella CL ja βfaasin stabiilisuusalue välillä Cβ - 1
32
Termodynamiset laskelmat
33
Termodynamiset laskelmat
Jos systeemin koostumus on täsmälleen CL ovat kaikki kolme faasia tasapainossa
•eutektinen piste
Välillä Cα- Cβ oleva systeemi minimoi energiansa muodostamalla
•faasin α (koostumus on Cα)
•sulan L (koostumus on CL)
•faasin β (koostumus on Cβ)
34
Termodynamiset laskelmat
Kiinteän faasin vapaaenergiakäyrän yhteinen tangentti on sulan faasin käyrän alapuolella.
• sula faasi ei ole lainkaan stabiili vaikka sen vapaaenergia käyrä leikkaakin kiinteän faasin vapaaenergia käyrän
• tasapainopiirroksessa esiintyy faasien α, α+β ja β stabiilisuusalueet
35
Termodynamiset laskelmat
37
Kylmämuokkaus
Liuoslujitettujen seosten lujuutta voidaan nostaa edelleen kylmämuokkauksella
•Dislokaatioiden määrä kasvaa•Myötölujuus nousee•Murtovenymä pienenee
Mutta miksi murtolujuus kasvaa?
38
Lujuus vs. muokkausaste
MurtolujuusMyötölujuus
39
Lujuus vs. muokkausaste
40
Lujuus vs. muokkausaste
41
Muokkauslujittuminen
Nimellisjännitys
Nimellismyötymä
Todellinen jännitys
Todellinen myötymä
42
Dispersiot
Jos seosatomeja lisätään enemmän kuin liukoisuus sallii, on tasapainon mukainen rakenne kaksifaasinen
•Mekaaniset ominaisuudet eivät välttämättä ole ihanteelliset
Dispersioksi kutsutaan toista faasia joka on kooltaan pientä ja tiheään jakautunutta
•Tyypillisesti metallien välisiä yhdisteitä (kuparilla esimerkiksi koboltti)
• Esimerkiksi seokselle 95Cu-2.8Al-1.8Si-0.4Co myötölujuus hehkutetussa tilassa 570 MPa
43
Erkaumakarkaisu
Erkaumakarkaisussa nopealla jähdytyksellä saadaan korkeassa lämpötilassa oleva yksi faasinen rakenne pysymään matalassa lämpötilassa yksifaasisena (ylikyllästeinen liuos)
•Toinen faasi erkautuu hyvin pieniksi (toivottavasti) dislokaatioiden liikettä haittaavaksi alueiksi
• Esimerkiksi berylliumkupari• 0,2-0,7% Be ja 1,4-2,75 Co
– Myötölujuus hehkutettuna 170-550 MPa– Myötölujuus erkaumakarkaistuna > 895 MPa
44
Erkaumakarkaisu
45
Erkaumakarkaisu
46
Muut ja liukenemattomat
Joillain alumiinipronsseilla esiintyy martensiittireaktio
•Karkaisu ja päästö mahdollista• Jotkut seokset ovat muistimetalleja
Eräät metallit eivät liukene kupariin•Pb, Te, Se•Kuumamuokkaus hankalaa haurastumisen takia•Käytetään lastuttavuuden parantamiseen (lastu katkeaa
paremmin)
47
Kupariseokset
Valuseokset•Puhtaan kuparin valamista haittaa taipumus pinnan
säröilyyn ja huokoisuuteen•Valuominaisuuksia parannetaan pienillä seosaine määrillä
(Be, Si, Ni, Sn, Zn, Cr)•Kaikkia valuseoksia ei voida muokata. Esimerkiksi 5%
lyijyä aiheuttaa kuumahaurautta
Juotteet•Fosforikupari, messinkijuote, hopeajuote
Muokatut seokset•Puhdas kupari, kupariseokset• Sähköjohdot, putket, levyt
48
Kuparimalmi
Kuparia esiintyy sulfidi- ja oksidimalmeissa. Pitoisuudet ovat tyypillisesti alhaisia (usein alle 1%). Louhittu malmi murskataan ja jauhetaan lietteeksi. Sulfidimalmista tehty liete rikastetaan esimerkiksi vaahdottamalla.
• lietteeseen sekoitetaan kemikaaleja kuten: mäntyöljyä, ksantaattia (C5H11OCS2K), karboksimetyyliselluloosaa
• ksantaatti molekyylin toinen pää on polaarinen ja se kiinnittyy kuparimineraaliin. Toinen pää on pooliton ja samalla hydrofobinen, joten se hakeutuu mahdollisimman kauaksi vedestä
• ilmakuplat nostavat kuparimineraalit vaahdoksi lietteen pinnalle• vaahto kuoritaan pois ja kuivataan • syntyneen konsentraatin likimääräinen koostumus: Cu 30%, Fe 27%,
33% S
49
Liekkisulatus (Flash smelting)
Sulfidimalmeista saatavien kuparirikasteiden käsittely tapahtuu liekkisulatusmenetelmällä.
• Rikastettu kuparimalmiin sekoitetaan kuonaa muodostavaa hiekkaa.
• Kuivattu seos syötetään liekkisulatusuuniin.
• Uuniin puhalletaan happea ja ilmaa.
• Rikki ja rauta palavat oksideiksi. Valtaosa prosessin energiasta saadaan juuri tätä kautta.
• Syntyvästä rikkidioksidista valmistetaan rikkihappoa.
50
Liekkikonvertointi(Flash Converting)
Liekkisulatuksessa syntyvän kuparikiven (copper matte) puhtausaste on luokkaa 70%. Kuparikivi murskataan ja suurin osa jäljellä olevista epäpuhtauksista poistetaan liekkikonvertointimenetelmällä.
•Kuparikivi, poltettu kalkki ja pöly? syötetään uunin ylhäältä.
• Jäljellä oleva rauta poltetaan ilmalla, johon lisätään happea noin 80%.
• Syntyvän raakakuparin (blister copper) puhtausaste on luokkaa 98% ja se siirretään edelleen anodiuuniin.
51
AnodiuuniKuumaraffinoinnissa (fire refining) jäljellä oleva rikki poistetaan ilmapuhalluksella. Joskus kuumaraffinoinnissa käytetään myös juoksutetta. Ilmapuhalluksen jälkeen sulaan jäänyt happi poistetaan maakaasulla, propaanilla, ammoniakki tai puukepillä sekoittamalla eli poolaamalla (pine pole -> poling). Kuparin lopullinen happipitoisuus on luokkaa 1500 – 3500 ppm.
www.nikko-metal.co.jp
52
Liekkisulatus
53
Liuospuhditus(Electrorefining)
Liuospuhdistus (tai elektrolyyttinen raffinointi) tehdään kupareille
•joissa on vismuttia•joissa on jalometalleja•joita käytetään sähköjohdoissa
Cu-Bi -tasapainopiirroksessa on eutektinen piste (0.2% Bi, 270 °C), joten pienetkin epäpuhtauspitoisuudet muodostavat kuparin raerajoille matalalla sulavan kalvon. Seurauksena on kuumahauraus.
54
Liuospuhditus
Anodikuparit liuotetaan kuparisulfaatti-rikkihappo kylpyyn.
•Anodilla: Cuepäpuhdas -> Cu2+ + 2e•Katodilla: Cu2+ + 2e -> CUpuhdas
Puhdistus perustuu metallien jalouseroihin. •Jalommat metallit (kulta, hopea) eivät liukene kylpyyn
ja ne jäävät anodille tai anodiliejuun. •Kuparia epäjalommat liukenevat, mutta ne eivät saostu
katodille jos kuparia on vielä liukenematta. • Jalometallit korjataan talteen anodiliejusta.
55
OksidimalmitOksidimalmit voidaan liuottaa laimeaan happoon. Liuennut kupari erotetaan orgaanisilla kemikaaleilla
• CuSO4 + 2 HR = CuR2 + H2SO4
Orgaaninen yhdiste ei liukene rikkihappoon joten ne voidaan erotella tiheyseron perusteella.
• CuR2 + H2SO4 = CuSO4 + 2 HR
Puhdas kupari (99.99%) valmistetaan tämän jälkeen elektrolyysillä.
Katodilla CuSO4 + 2e = Cuo + SO42-
Anodilla H2O = 2H+ + 0.5 O2 + 2e
56
Happipitoiset kuparit
Kaksi peruslaatua•Liekkipuhdistettu kupari Cu-FRHC (fire-refined high
conductivity copper)•Elektrolyyttisesti puhdistettu kupari Cu-ETP (tough pitch
copper = sitkokupari )
57
Happipitoiset kuparit
Hapen tehtävänä on sitoa kuparissa olevat epäpuhtaudet oksideiksi. Kuparin kiderakenteeseen liuenneet epäpuhtaudet laskevat sähkön johtavuutta dramaattisesti
• Oksidisulkeumat laskevat kuparin sähkön johtavuutta ainoastaan pinta-alaa pienentämällä
Lisäksi metalliset epäpuhtaudet voivat aiheuttaa kuumahaurautta
• Oksidisulkeumat syntyvät korkeissa lämpötiloissa ja ne jäävät rakeiden keskelle. Metalliset epäpuhtaudet jähmettyvät tyypillisesti matalissa lämpötiloissa, joten ne kertyvät raerajoille ja aiheuttavat kuumahaurautta (esim. rikki on hyvin haitallista)
58
Happipitoiset kuparit
Happipitoisuuden vaikutus•Erityisesti rikin poistaminen vaatii riittävää
happipitoisuutta (esim. 0.9%) sulassa kuparissa• Sulan jähmettyessä syntyy Cu2O faasia ja liian suuri
happipitoisuus saa aikaan haurastumisen•Sulan kuparin happipitoisuutta pienennetään
puulauksella• Liian pieni happipitoisuus voi aiheuttaa
epäpuhtaussulkeumien pelkistymisen ja rakenteen haurastumisen
•Liian pieni happipitoisuus aiheuttaa valetun kappaleen kutistumisen
59
Happipitoiset kuparit
Puulauksessa tavoitellaan happipitoisuutta 0.04%, jolloin kupariin jäävä kaasu korvaa lämpötilan laskun aiheuttaman kutistumisen
•Happipitoisuus 0.04% ?? vastaa Cu-O -tasapainopiirroksen eutektista koostumusta
•Eutektista koostumusta vastaavassa rakenteessa on noin 3.5% Cu2O -faasia, joka esiintyy pallomaisina sulkeumina α-faasin muodostamassa matriisissa.
60
Esimerkki mikrorakenteesta
61
Happipitoiset kuparitHappipitoisilla kupareilla on vetysairausherkkyys. Jos happipitoista kuparia hehkutetaan vety rikkaassa ympäristössä, diffundoituu vety kupariin ja reagoi hapen kanssa. Syntynyt vesihöyry kertyy huokosiin ja raerajoille ja aiheuttaa haurautta. Tämän takia happipitoisia kupareja ei käytetä
•Putkiin•Kaasuhitsattavaksi
Tyypillisiä käyttökohteita ovat•Johtimet•Kattolevyt•Räystäskourut
62
63
Vetysairaus
Esimerkki happipitoisesta kuparista jossa vedyn aiheuttamia ’rakkuloita’ raerajoilla.
64
Deoksidoitukupari
Runsasfosforinen kupari Cu-DHP (phosphorus-deoxidized copper - high residual phosphorous)
Matalafosforinen kupari Cu-DLP (phosphorus-deoxidized copper - low residual phosphorus)
Lisäämällä sulaan kupariin fosforia saadaan happipoistettua ja vetyhaurausherkkyys pienenee. Lisäksi fosfori ehkäisee rakeenkasvua, joten deoksidoidut kupareita käyetään tuotteissa joita joudutaan kuumentamaan
•Kupariputket•Lämmönvaihtimet
65
Deoksidoitukupari
Fosforia lisätään niin paljon, että deoksidoinnin jälkeen sitä on jäljellä 0.015 -0.040%. Fosforiliukenee kupariin myös huoneen lämpötilassa ja kuparin sähkönjohtavuus heikkenee
•Sähköjohtimissa ei käytetä deoksidoituja kupareja, jos niin fosforipitoisuus on suuri
•Cu-PHC (highconductivity - phosphorus containing copper) sähkönjohtavuus on 100% IACS sillä sen fosforipitoisuus on noin 0.003%
•Myös muita deoksidointiaineita käytetään
67
68
Liuenneiden seosaineiden vaikutus sähkönjohtavuuteen
69
Deoksidoidut kuparitFosfori nostaa kuparin rekristallisaatiolämpötilaa. Syynä ajatellaan olevan epäpuhtausatomien kertyminen dislokaation aiheuttaman jännityskeskittymän lähelle. Epäpuhtausatomit hidastavat dislokaation liikkumista ja pidentävän rekristallisaation ydintymisaikaa (vertaa myötövanhenemiseen ja terävään myötörajaan)
•Fosforipitoisien kylmämuokattujen kuparien lujuus ei laske juottamisen aikana kuin vähän.
Fosforiparantaa hitsattavuutta, koska se estää sulan hapettumisen ja edelleen huokosten muodostumisen ja haurastumisen.
70
Hapeton kupari
Jälleen kaksi peruslaatua•Cu-OF (ogygen-free copper)•Cu-OFE (oxygen-free copper, electronic grade)
Valmistetaan elektrolyyttisesti puhdistetusta kuparista. Sulatus tehdään hiileen peitettynä ja valaminen suojakaasussa.
•Cu-OF happipitoisuus enintään 10 ppm•Cu-OFE happipitoisuus enintään 5 ppm
Koska hapettomassa kuparissa ei ole happea, ei se ole altis vetyhauraudelle. Sähkönjohtavuus on erittäin hyvä.
71
Esimerkki mikrorakenteesta
Muokattua happipitoista kuparia on altistettu vedylle. Raerajoilla olevat kaasuhuokoset ovat estäneet rakeenkasvun
Muokattua hapetonta kuparia on altistettu vedylle. Huomaa raerajojen kasvu.
72
Seostetut kuparit
Jos kupariin lisätään seosaineita vain niin vähän, että sähkönjohtavuus ei tipu, puhutaan kupareista (esimerkiksi hopeakupari). Suuremmilla seospitoisuuksilla puhutaan kupariseoksista (esimerkiksi messinki, pronssi).
Pienellä seostuksella voidaan•Nostaa rekristallisaatiolämpötilaan•Nostaa lujuutta•Parantaa lastuttavuutta
73
Lujuuden nosto kylmämuokkaamalla
Puhtaan kuparin (Cu-OF) vetomurtolujuus on noin 220 MPa. Kylmämuokkauksessa lujuus saadaan luokkaan 380 MPa. Pienellä kadmium tai tina lisäyksellä kylmämuokkauksessa murtolujuus nousee arvoon 550 MPa (0.5 - 1% Cd ja 0.2 - 0.6% Sn).
•Kadmiumkuparin käyttö ei ole yleistä kadmiumin myrkyllisyyden takia.
74
Esimerkki mikrorakenteesta
Pehmeäksi hehkutettu Muokkausaste 10%
75
Esimerkki mikrorakenteesta
Muokkausaste 50% Muokkausaste 70%
76
Esimerkki mikrorakenteesta
Muokkausaste ennen hehkutusta 25%, 4 min 500 °C
Muokkausaste ennen hehkutusta 25%, 1 min 500 °C
77
Esimerkki mikrorakenteesta
Muokkausaste ennen hehkutusta 25%, 10 min 500 °C
78
Rekristallisaatio
Kylmämuokattuun metalliin on varastoitunut energiaa
•Rakeet eivät ole säännöllisiä•Dislokaatioita on enemmän•Muokkauslujittuminen•Sähkönjohtavuus ja korroosion kesto voivat olla
huonompia
Toipumisessa osa energiasta vapautuu dislokaatioiden järjestäytyessä uudestaan
•Mikrorakenne ei muutu•Fysikaaliset ominaisuudet palautuvat
79
80
Rekristallisaatio
Sitoutuneeseen energiaan vaikuttaa•Epäpuhtaudet lisäävät energiaa•Plastisen muodon muutoksen tapahtuessa moneen
suuntaan liukutasoja on enemmän kuin puhtaassa vedossa -> dislokaatioita syntyy enemmän -> enemmän energiaa
•Muokkaus matalassa lämpötilassa lisää varastoitunutta energiaa. Korkeammassa lämpötilassa atomeilla on parempi edellytys järjestäytyä ja vähentää energiaa
•Pieni raekoko lisää dislokaatioiden ja raerajojen vuorovaikutusta -> enemmän energiaa
81
RekristallisaatioRekristallisaatiossa mikrorakenne muuttuu alkuperäistä vastaavaksi
• Rakeista tulee tasa-akselisia (ja usein pienempiä)• Dislokaatioiden määrä vähenee• Muokkauslujittuminen häviää• Sähkönjohtavuus ja korroosion kesto paranee
Toipuminen ja rekristallisaatio edellyttävät riittävän korkeaa lämpötilaa (joillekin metalleille 20ºC on riittävä)
• Toipuminen voi tapahtuu matalammassa lämpötilassa kuin rekristallisaatio
• Joissain tapauksissa toipuminen voi estää rekristallisaation
82
Rekristallisaatio
Energian vapautuminen tulee esiin DSC (Differential Scanning Calorimetry ) mittauksessa
• Ensimmäiset rekristallisoituneet rakeet ilmestyvät energia piikin alussa
• Toipumisessa vapautuva energia on pienin tapauksessa A ja suurin tapauksessa C
• Puhtaan metallit tyypillisesti tavan A mukaan, seoksille tavat Bja C (epäpuhtaudet hidastavat rekristallisaatiota)
83
Rekristallisaatio
Lämpötilan nostaminen nopeuttaa diffuusio eksponenttaalisesti.
•Vastaavasti rekristallisaatio tapahtuu nopeammin lämpötilan kasvaessa
84
Rekristallisaatio
Muokkausaste vaikuttaa rekristallisaatiolämpötilaan
•Suurempi muokkausaste -> enemmän varastoitunutta energiaa -> matalampi lämpötila
•Rekristallisaatio ei tapahdu lainkaan pienillä muokkausasteilla
85
Rekristallisaation
86
Rekristallisaatiolämpötila
Pienetkin seosainepitoisuudet nostavat rekristallisaatiolämpötilaa. Erityisesti käytetään hopeaa (hopeakupari), mutta myös zirkoni, kadmium, tina, antimoni hidastavat rekristallisaation merkittävästi ja mahdollistavat näin seostetun kuparin pitämisen normaalia korkeammissa lämpötiloissa. Hopean etuna on sen vähäinen vaikutus sähkönjohtavuuteen.
87
Seosaineiden vaikutus sähkönjohtavuuteen
Seosaineiden vaikutus rekristallisaatiolämpötilaan
88
89
Lujuuden nosto erkaumakarkaisulla
Kupariseoksia voidaan erkaumakarkaista, jos seosaineella on pieni liukoisuus huoneen lämpötilassa ja suurempi liukoisuus korotetussa lämpötilassa (vertaa alumiinin erkaumakarkaisuun). Tyypillisiä seosaineita ovat kromi, zirkoni ja beryllium. Murtolujuudet voivat olla jo varsin korkeita erkaumakarkaistussa tilassa
•Kromikupari 470 MPa•Berylliumkuparin 1150 MPa
Berylliumkuparin käyttö on vähäistä berylliumin myrkyllisyyden takia
90
Lujuuden nosto erkaumakarkaisulla
Lämpötilan nostaminen ei laske erkaumakarkaistujen seosten lujuutta kuten muokkauslujittuminen tekee.
•Voidaan käyttää jopa lämpötilassa 450 C
Erkaumakarkaistut seokset johtavat paremmin sähkön vanhennettuna kuin liuoshehkutettuna. Käyttökohteita
•Vastushitsauselektrodit•Hitsaussuuttimet
91
Lastuttavuuden parantaminen
Puhdas kupari on vaikeasti lastuttavaa suuren murtovenymänsä vuoksi. Vaikka terä uppoaa kupariin hyvin, tarvitaan lastun irrottamiseksi paljon energiaa jolloin terä lämpiää (käyttöikä lyhenee). Lisäksi puhtaasta kuparista syntyvä lastu ei katkea helposti ja tämä aiheuttaa ongelmia etenkin miehittämättömässä työstössä. Rikin, seleenin tai telluurin lisääminen saa aikaan kovia sulkeumia, jotka helpottavat lastun katkeamista.
92
Kupariseokset(runsaasti seostetut)
Suuremmilla seosainepitoisuuksilla lujuutta saadaan lisää. Tosin sähkön-ja lämmönjohtavuus huononee.
93
Viruminen
Jännitys, joka tarvitaan 10-5% virumismyötymän aikaansaamiseksi tunnissa eri kupariseoksille
94
Seosaineet ja lämmönjohtavuus
95
Messinki
Kupari-sinkki seoksista käytetään nimitystä messinki. Alfa faasilla kuparin kiderakenne (pkk) ja beeta faasilla tkk-rakenne. Näiden lisäksi suuremmilla sinkkipitoisuuksilla esiintyvät muita faaseja jotka ovat hauraita monimutkaisen kiderakenteensa vuoksi.
96
Kupari-sinkki tasapainopiirros
97
Messingit(Brass)
Messinkien sähkönjohtavuus noin enimmillään puolet puhtaan kuparin sähkönjohtavuudesta. Korroosion kestävyys on kuparia vastaava ja lujuus on selvästi parempi. Messinkien sinkkipitoisuus on normaalista alfa faasin alueella. Tyypillisiä seoksia ovat
•CuZn10•CuZn15•CuZn20•CuZn30 (hylsymessinki)•CuZn37
98
Messinkin mekaaniset ominaisuudet
99
Beeta messingitMessinkin sinkkipitoisuuden nostaminen heikentää muovattavuutta ja etenkin beeta faasin muokkaaminen huoneen lämpötilassa on käytännössä mahdotonta. Toisaalta beeta voidaan muovata jopa alfa faasia helpommin yli 500 C lämpötilassa.
• Itse asiassa korotetussa lämpötilassa esiintyy β faasi ja matalissa lämpötiloissa β’ faasi.
• Beeta pilkku faasi on ns. ylihila, jolloin metalliseos pystyy minimoimaan sisäenergiansa sijoittamalla kupariatomin viereen sinkkiatomin ja päin vastoin.
100
Beeta messingit
101
Beeta messingit
102
TinapronssitPitkään pronssilla on tarkoitettu kuparin ja tinanan seosta. Nykyään puhutaan pronssit luokitellaan tarkemmin (alumiinipronssi, piipronssi, berylliumpronssi). Poikkeuksia ovat kuparin ja sinkin seokset (messingit) ja kuparin ja hopean seokset (nikkelikupari). Tyypilliset tinapronssit ovat:
•CuSn4•CuSn6•CuSn8
Tinapronssien korroosionkestävyys paranee tinapitoisuuden kasvaessa. Yli 5% tinaa sisältävät seokset kestävimpiä merivedessä ja esim. rikkihapossa
103
TinapronssitMuokattavien tinapronssien Sn pitoisuus on yleensä alle 11% jolloin rakenteena α faasia. Suuremmilla pitoisuuksilla rakenteeseen syntyy haurasta εfaasia.
• Huomaa, että tasapainopiirroksen mukaan αfaasin maksimi tinapitoisuus on luokkaa 2%, mutta ε faasin syntyminen huoneen lämpötilassa on niin hidasta että sitä ei juuri esiinny kuin yli 11% tinaa sisältävissä seoksissa.
104
TinapronssitValuseoksissa tinapitoisuus voi olla suurempi. Tällöin rakenteeksi muodostuu seokseksi α + δ (ε-faasia ei normaalisti muodostumine alhaisissa lämpötiloissa on hidasta).
Cu31Sn8 (δ-faasi) on kova ja hauras joten seokset sopivat muokattavia seoksia paremmin kulumiskestävyyttä vaativiin osiin.
• laakerit• pumput• venttiilit• hammaspyörät
105
106
Lyijytinapronssit
Lyijyä lisätään tyypillisesti tinapronssiin jota käytetään laakerien valmistukseen. Lyijy pienentää kitkaa ja estää kiinnileikkautumista.
Kuvan seoksen koostumus• 8% Sn• 1-1,5% Pb• Cu (loput)
107
Lyijytinapronssi
Kuvan seoksen koostumus• 10% Sn• 10% Pb• Cu (loput)
108
Kuvan seoksen koostumus
• 12% Sn• 1.5% Pb• Cu (loput)
109
AlumiinipronssiAlumiiniseostuksella saadaan hyvä syöpymisen- ja hapettumisenkesto, hyvä lujuus myös korkeammissa lämpötiloissa, kulumiskestävyys. Heikko valettavuus, hankala lastuttavuus, huonot liukuominaisuudet
• muokattavien alumiinipronssien alumiinipitoisuus on luokkaa 5-11%
• käyttökohteita ovat esimerkiksi laakerit, kulutuspinnat sekä rahat (95% Cu, 5% Al).
110
Alumiinipronssi
111
Magnaani- ja Piipronssi
Pii- ja mangaaniseostuksilla saadaan hyvät lujuusominaisuudet ja korroosionkestävyys. Piipronssin hitsattavuus paras kupariseoksista
112
Punametallit(Cu-Sn-Zn)
Punametalleissa on tinan lisäksi sinkkiä ja nikkeliä. Punametallit ovat ensisijassa valumetalleja. Sinkkiä käytetään korvaamaan tinaa (joka on kallista). Esimerkiksi 15% Sn seostus voidaan korvata 10% Sn ja 10% sinkki seostuksella
• laakerit• hammaspyörät• liukukiskot• venttiileissä
Eräs esimerkki tykkimetalli (admiralty gun metal)
• 88% Cu• 10% Sn • 2% Zn
Soveltuu raskaaseen kuormitukseen ja meriympäristöön
113
UushopeaUushopeat eli alpakat ovat Cu-Ni-Zn -seoksia. Ne ovat messinkejä, joissa osa sinkistä on korvattu nikkelillä
• valkoinen, hopeaa muistuttava väri
• Koriste-esineet, pöytäkalusteet, avaimet, jouset
Tyyppi esimerkit• C75200 (65Cu-18Ni-17Zn)• C77000 (55Cu-18Ni-27Zn)
114
NikkelikupariNikkelikuparit ovat Cu-Ni -seoksia. Niissä yhdistyvät hyvä lujuus ja korroosionkestävyys. Sähkö-vastusominaisuuksiensa vuoksi niitä käytetään vastusmateriaaleina.
Konstantaanin (55% Cu, 45% Ni) ominaisvastuksen lämpötilakerroin on hyvin pieni alle 500 °C lämpötiloissa, joten siitä voidaan tehdä tarkkuusvastuksia. Liittämällä yhteen rauta ja konstantaani lanka saadaan aikaa termoelementti lämpötilan mittausta varten.
Cu-Ni -seokset ovat myös metallirahojen raaka-aineita.
115
MetallirahatYhden euron kolikon ulko-osassa 75% Cu ja 25% Ni. Sisäosassa on 75% Cu, 20% Zn ja 5% Ni (uushopea). Kahden euron kolikossa päinvastoin.
10, 20 ja 50 sentin kolikot on tehty Nordic gold seoksesta, jossa on 89% Cu, 5% Al, 5% Zn ja 1% Sn.
Pienemmät kolikot ovat väristään huolimatta valmistettu teräksestä ja pinnoitettu kuparilla.
116
Metallirahat
117
Kuparin korroosioKuparin korroosionkestävyys on yleensä hyvä. Korroosionopeus on alhainen ilmasto-olosuhteissa, luonnonvesissä, laimeassa rikkihapossa sekä monissa suola- ja emäsliuoksissa
Olennaista korroosiota tapahtuu vasta, kun liuokseen on liuenneena happea
Kupariseoksille tyypillisiä korroosiomuotoja ovat lähinnä eroosiokorroosio, valikoiva (selektiivinen) korroosio (sinkinkato) ja varastorepeäminen
• Varastorepeäminen on messinkien jännityskorroosiota (stress corrosion cracking). Muokkauksen aikana syntyneet sisäiset jännitykset aiheuttavat repeämisen typpipitoisissa ympäristöissä (ammoniakki, amiinit tai nitriitit)
• Sinkinkatoa voi esiintyä, kun Zn-pitoisuus on suurempi kuin 15%. Voidaan estää pienillä arseeni-, antimoni- tai fosforiseostuksella
118
Sinkinkato
