Transcript Kertausluento B

BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta
Luennot / syksy 2013
TkT Harri Eskelinen
LUENTO 2
Kertausluento B
2013

Tämän luennon oppimistavoitteet:

Kerrata materiaaliriippuvaiset
valmistettavuuden tunnusluvut
Kerrata korroosion lajit
Kerrata kulumismekanismit


Valmistettavuuden tunnusluvut
MATERIAALIN LASTUTTAVUUS
Lastuttavuutta ei voida ilmoittaa vain yhdellä
aineenkoetuskokeesta saatavalla lukuarvolla.
Lastuttavuuden arviointi edellyttää useiden eri
lukuarvojen vertailua. Materiaalin lastuttavuus on
“hyvä”, jos:
- Lastuaminen vaatii vähän tehoa (Pmin)
- Lastuaminen aiheuttaa pienet lastuamisvoimat (Fmin)
- Kappaleen mittatarkkuus on hyvä (ITmin)
- Kappaleen pinnanlaatu on hyvä (Ramin)
- Voidaan poistaa suuria ainemääriä kerralla (v,a,s max)
- Terän kuluminen on vähäistä (tkesto max)
- Lastun murto ei tuota ongelmia (lastun kokomin ja muoto)
TERÄSTEN LASTUTTAVUUDESTA


Minimoitaessa terän kulumista on materiaalin kovuus keskeisin
kriteeri eli tässä mielessä:
– runsashiiliset teräkset ovat vaikeasti lastuttavia, vähähiiliset
ovat hyvin lastuttavia
– karkaistut teräkset ovat huonosti lastuttavia, pehmeäksi
hehkutetut ovat hyvin lastuttavia
Optimoitaessa lastun muotoa on lastun katkeamistaipumus
keskeisin kriteeri eli tässä mielessä:
– vähähiiliset teräkset ovat huonoja, pehmeästä aineesta syntyy
hankala ja pitkä lastunmuoto
– “haurastavilla” aineilla seostetut ovat paremmin lastuttavia
(rikin ja magnaanin seostus  magnaanisulfidisulkeumia)
– mellotuksen jälkeen kalsium-injektiokäsitellyt ja Mn-seostetut
teräkset ovat hyvin lastuttavia  nk. M-käsittely)
Materiaalin valinnassa tehdään ominaisuuksien kompromissi:
Hiilipitoisuus - seostus - lämpökäsittely - toimitustila
Materiaalin (seostuksen ja) toimitustilan
merkitys:
H14 = puolikova,
H18 = kova
T4 = luonnollisesti vanhennettu,
T6 = keinovanhennettu
T8 = liuotushehkutettu, keinovanhennettu ja
kylmämuokattu
LIITOSTEN MATERIAALIN VALINTA
Eräiden materiaalien liittäminen vaatii erillisiä liitososia (esim.
keraamiset osat), jolloin on otettava huomioon myös liitososien
materiaalinvalinta.
Liitoksiin kohdistuvat toiminnalliset vaatimukset on sovitettava yhteen
konstruktion muun materiaalin valinnan kanssa:
1 Staattinen lujuus
2 Väsymislujuus
3 Joustavuus tai jäykkyys
4 Tiiviys
5 Kemiallinen kestävyys
6 Lämpökuormien kesto
7 Kokoonpanon helppous
8 Varmuus käytön aikaista avautumista vastaan
9 Irrotettavuus (tarvittaessa)
10 Kustannukset
Ensin on tehtävä vaatimuslista itse liitokselle ja sen jälkeen
muodostettava vaatimuslista liitososien materiaaleille!
MATERIAALIN VALINTA RUUVILIITOKSISSA
1. Käytetään sopivia aluslaattoja:
• pintapaineen pienentäminen
• varmistetaan kiinnipysymisen
• ehkäistään mahdollisen kaltevan kiinnityspinnan
aiheuttama taipuma ruuvissa
• estetään galvaanisen korroosioparin muodostuminen
2. Valitaan ruuvin materiaali yhteensopivaksi yhteenliitettävien
osien materiaalien kanssa:
• ruuvi venyy (“toimii jousena”), liitettävät osat puristuvat
kokoon  kimmomoduulien yhteensovittaminen
• kitkan merkitys kiinnipysymisessä ja kiristämisessä 
kitkakertoimet eri materiaaliparien kesken
• estetään galvaanisen korroosioparin muodostuminen
3. Otetaan huomioon minimireunaetäisyydet liitettävissä osissa
eli suoritetaan lujuustarkastelu ruuville, mutta myös
perusmateriaalille  murto-, myötö- ja väsymislujuus
Ruuviliitosten vauriomuotoja
1 Staattisen vetokuorman alainen ruuvi murtuu:
- vetojännitys ylittää murtolujuuden
- ruuvin tai mutterin kierre leikkautuu irti
2 Ruuvin väsymisraja ylittyy:
- ruuveille väsymisraja on n. 10 % materiaalin
myötörajasta
3 Liitettävät osat vaurioituvat:
- esim. levyosien leikkautuminen liian pienen
reunaetäisyyden takia
Ruuviliitosten väsymiskeston parantaminen
Seuraavilla keinoilla pyritään tasaamaan ruuvin
ensimmäisen kierteen kannettavaksi tulevaa
suurta osaa ruuvin aksiaalivoimasta:
- Valitaan korkeampi mutteri, jos mahdollista
- Valitaan mutterimateriaali, jonka kimmokerroin on
pienempi kuin itse ruuvilla (esim. kevytmetalli tai
valurauta)
- Huolehditaan riittävästä ruuvin esikiristyksestä
- Lisäksi vaikuttavat mm. pinnanlaatu, kierreprofiili,
ruuvin muu muotoilu ja kierteen valmistustapa
(kylmämuovaus edullinen)
HITSATTAVUUS

A) Perusaineen hitsattavuus
–
–
–
–

B) Rakenteellinen hitsattavuus
–
–
–
–

kemiallinen koostumus
raekoko, mikrorakenne
karkenemistaipumus
lämpölaajeneminen
rakenteellinen muotoilu
voimien vaikutussuunta hitsatuissa liitoksissa
hitsattujen liitosten sijoitus
rakenteen jäykkyyserot
C) Valmistuksellinen hitsattavuus
– tarvittava esivalmistelujen määrä, railomuodot
– tarvittavat lämpökäsittelyt
– lämmöntuonti, hitsausprosessi
Hitsausprosessien valinta- ja vertailukriteerien
yhdistäminen materiaalin valintaan
• Lämmöntuonti
• Lämpökäsittelyjen tarve
• Lisäaine
• Liitosmuodot ja railomuodot
• Liitettävät materiaalit ja ainevahvuudet
•Hiiliekvivalentin laskeminen (eri laskukaava eri
materiaaliryhmille)
• Hitsisulan suojaus
• Mekanisointi / robotisointi / automatisointimahdollisuus
• Esivalmistelujen tarve
• Hitsaajan ammattitaidon merkitys
• Paloaikasuhde tmv.
Hiiliekvivalentti voi olla suuntaa-antava lukuarvo materiaalin
hitsattavuudesta, mutta lisäksi on otettava huomioon valmistettavan
konstruktion rakenteellinen ja valmistuksellinen hitsattavuus.
Hitsausprosessien valinta vs. materiaalin valinta
•Esimerkiksi ruostumattomien teräksien
hitsaukseen sopivia prosesseja:
• Plasmahitsaus
• MAG (Argon + happi)
• TIG
•Esimerkiksi alumiinin, kuparin ja titaanin
hitsaukseen sopivia prosesseja:
•MIG (Argon)
•TIG
•Esimerkiksi muovikalvojen liittämiseen
sopiva prosessi:
•UÄ-hitsaus
MATERIAALIN VALINTA LIIMALIITOKSISSA
Liimatyyppi tulee valita siten, että liima
sopii:
• halutulle lämpötila-alueelle (monien
liimojen leikkauslujuus putoaa rajusti
lämpötilan kohotessa yli + 75 C)
• liimattaville materiaalipareille
(syanoakrylaatti-, epoksi-, akryyli ja
polyuretaaniliimat yms.)
• käyttötarkoitukseen kuivuttuaan
(kova - plastinen - elastinen liitos tai
esim. liitoksen lämmön- tai
sähkönjohtavuus)
Veto
Repäisy
Leikkaus
Kuorinta
Kuormittamaton liimaliitos
Samaa materiaalia olevat
liitettävät osat venyvät samalla
tavalla ja liimasaumaa kuormitetaan symmetrisesti.
Eripariliitos, jossa toinen liitettävä
osa venyy enemmän. Tämä johtaa
liimasauman epäsymmetriseen
kuormittumiseen ja liimalta
vaaditaan kimmoisampaa ainetta
vastaavia ominaisuuksia

Materiaalivakio k:
– G=
– E=
– a=
liiman liukumoduuli
osien kimmomoduuli
liimakerroksen paksuus
Levyn vetojännityksen
ja liimasauman
maksimileikkausjännityksen
suhde
Murtokuorma
kasvaa
Limitys l
kasvaa
Suhdeluku X, joka riippuu materiaalivakiosta k, levyn paksuudesta t ja limityksestä l

Kestomuoviliimat
– Ei lujuutta vaativiin kohteisiin
– Nopeaan liittämiseen (syanoakrylaattiliimat)
– Osien lukitukseen (akrylaattiliimat)

Kertamuoviliimat
– Metallien liittämiseen, lujuutta vaativiin kohteisiin,
ei yli +250 C lämpötiloihin
– Polyuretaaniliimat kylmiin olosuhteisiin (jopa – 200
C)

Epäorgaaniset liimat
– Erittäin korkeisiin lämpötiloihin, +800…+2500 C
– Keraamien liittämiseen
Terästen lämpökäsiteltävyys
Terästen lämpökäsittelyjen suunnittelussa on
tunnettava:
- Hiilipitoisuus
- Seosaineiden määrät ja niiden yhteisvaikutus
- Tasapainopiirros ja A1-lämpötila
- Esimerkiksi jatkuvan jäähtymisen käyrä (CCT-curve)
loppurakenteen suunnittelua varten
- Kullakin lämpökäsittelymenetelmällä saavutettavat
ominaisuusmuutokset ja niiden hallinta (käsittely
muita valmistusvaiheita ennen tai niiden jälkeen
- Tuotteen geometrian asettamat reunaehdot
- Perinteinen materiaalinlaadun kysymys:
Tulisiko valita standardikoostumuksen ylä- tai
alarajalla oleva materiaali vai se, jossa vaihtelut ovat
pienimmät...  luotettavuustekninen suunnittelu
MUOVATTAVUUDEN ARVIOINTI
LUKUARVOJA KÄYTTÄEN
- Pienin mahdollinen taivutussäde, joka
sallitaan levyn ulkoreunan vielä murtumatta
- Yhdellä muovauskerralla aikaansaatava
poikkileikkauksen tms. muutos esim. [%]
- Tarvittavan valssaus- tai muun muovaavan
voiman suuruus
- Tarvittavien peräkkäisten muovaavien
työvaiheiden lukumäärä
- Tarvittava (korotettu) muovauslämpötila
(kumpi on kustannustehokkaampi: kylmävai kuumamuovaus ?)
- Ohuin mahdollinen seinämä venytysmuovauksessa
Muokkauslujittuminen

Valssauksessa, taonnassa, vedossa,
taivutuksessa jne. muodonmuutoksen
seurauksena monirakeisen metallin alunperin
tasa-akseliset rakeet venyvät
muokkaussuunnassa vaikka tilavuus säilyy
vakiona
 sitkeys- ja muovattavuus-ominaisuudet
muokkaussuunnassa ja sitä vastaan
kohtisuorassa suunnassa muodostuvat
erilaisiksi
– kovuus ja lujuus kasvavat muokkaukselle
altistuneessa kohdassa 
muokkauslujittuminen
MATERIAALIEN VALETTAVUUS
Vertailukriteereitä:
 Minimi seinämäpaksuus, joka voidaan valaa
 Valittu lujuusluokka (saavutettava lujuus ja
kovuus suhteessa ainevahvuuteen)
 Muotti/malli/tuote – materiaaliyhdistelmä
– Suunniteltavat hellitykset ovat materiaali- ja
valumenetelmäkohtaisia
– Monet alumiiniseokset pyrkivät “takertumaan”
teräsmuottien pintaan

Muita työvaiheita ajatellen otettava huomioon
myös valettavan materiaalin lastuttavuus ja
hitsattavuus
Valukappaleen kutistumat
Valumetallien kutistuminen jakautuu kolmeen
vaiheeseen:
- sulakutistuma
- kiteytymiskutistuma
- kiinteäkutistuma
Kaksi ensin mainittua voidaan hoitaa syöttämällä
riittävästi ja oikein valumateriaalia muottitilaan.
Kiinteäkutistuma on otettava huomioon muottitilan
kokoa suunniteltaessa, jottei kappale jää vajaamittaiseksi.
Esimerkkejä eri materiaalien
kutistuma-arvoista
Suomugrafiittiraudat

Pallografiittiraudat

Valuteräkset (% C n. 0.2) 
Alumiinit

Messinki

- 2.8…+ 1.6 %
- 2.0…+ 1.5 %
- 2.2 %
- 6.6 %
- 5.5 %
MATERIAALIEN PINNOITETTAVUUS

Pinnoitteen ja perusaineen ominaisuuksien
yhteensovittaminen
– jäykkyys, lujuus, lämpölaajeneminen jne.,
korroosionkesto

Pinnoitteen ominaisuudet
– kiinnipysyvyys, pinnoitteen laatu, kestoikä


Halpa perusaine ja toimiva ohut
pinnoitekerros  kustannusvaikutus
Oikein suunniteltu pinnoitus tuottaa
materiaalinvalintaan “uusia vaihtoehtoisia
materiaaleja”
Korroosiolajit
1 Yleinen syöpyminen



Metallin koko pinta syöpyy tasaisella
nopeudella
Suojaamattomien metallipintojen
tyypillinen korroosiomuoto ilmastoolosuhteissa
Mitattavissa helposti painohäviön tai
seinämän ohenemisen avulla
2 Paikallinen syöpyminen

2.1 Pistesyöpyminen
– voi saada alkunsa pinnan urista
(pinnankarheus), pintakalvon virheistä,
liuoksen eräistä anioneista (Cl -, Br -)
– tyypillinen metalleissa, joiden
korroosionkestävyys perustuu suojaavaan
passiivikerrokseen (alumiini, ruostumaton
teräs)
– tyypillinen esimerkki on ruostumattoman
teräksen pistesyöpyminen merivedessä

2.2 Kuumakorroosio
– Paikallisen syöpymisen korroosiomuoto, jonka
aiheuttaa polttolaitosten rikki-, natrium- tai
vanadiinipitoiset polttotuotteet
– Metallin päälle muodostuva sula natriumsulfaatti
hajottaa metallia suojaavan oksidikerroksen ja
aiheuttaa pistesyöpymistä korkean lämpötilan
rauta-, nikkeli- ja kobolttivaltaisissa seoksissa
– Korroosioriski kasvaa moninkertaiseksi yli + 500°C
jälkeen, mutta esim. rikkitrioksidi aiheuttaa
korroosiota jo alle +200 °C:ssa

2.3 Rakokorroosio (piilokorroosio)
– Paikallisen syöpymisen korroosiomuoto, joka tapahtuu
raoissa, joihin liuos pääsee tunkeutumaan, mutta
joissa se ei pääse vaihtumaan samalla nopeudella kuin
muilla metallipinnan alueilla
– Raon koko n. 0.025…0.1 mm, esim. niitti-, ruuvi- ja
hitsausliitoksissa
– Tiivisteliitokset, joissa tiivistemateriaali on liuosta
absorboivaa
– Metallin pinnalla on likaa tms. (hiekkaa)
– Tyypillinen metalleissa, joiden korroosionkestävyys
perustuu suojaavaan passiivikerrokseen (ruostumaton
teräs, alumiini)
3 Galvaaninen korroosio
Periaatteessa…
 Esiintyy silloin, kun samassa elektrolyytissä kaksi eri
metallia ovat sähköisessä kontaktissa toisiinsa.
Alhaisemman elektrodipotentiaalin omaava (epäjalompi)
metalli muodostuu anodiksi ja syöpyy.
 Mitä kauempana elektrodipotentiaalisarjassa metallit
toisistaan sijaitsevat, sitä todennäköisempää on
galvaanisen korroosioparin syntyminen.
Mutta muista myös, että…
 Galvaaninen pari voi syntyä myös siten, että metalli on
kosketuksessa jalomman ei-metallisen sähköäjohtavan
materiaalin kanssa (esim. grafiitti)
 Galvaaninen jalousjärjestys riippuu myös lämpötilasta
(esim. Fe vs. Zn +60°C).
Kannatin ja putki ruostumatonta
Terästä  Katodi
Ruuvi hiiliterästä
 Anodi (syöpyy)
Galvaanisen parin muodostuminen ja galvaaninen korroosio
betonirakenteessa.
Sovellusesimerkki

Galvaanisen ja rakokorroosion yhteisvaikutus
4 Pintaan kohdistuvan mekaanisen
rasituksen kiihdyttämä syöpyminen

4.1 Eroosiokorroosio
– Kun liuoksen liikenopeus kasvaa riittävän
suureksi, se pystyy irrottamaan metallin pintaa
korroosiolta suojaavia pintakerroksia
– korroosionopeus riippuu virtausnopeudesta
– erityisen haitallinen on pyörteinen virtaus
(putkiston haarat, mutkat, suuaukot)
– virtauksen mukana kulkevat kiinteät partikkelit
lisäävät kuluttavaa vaikutusta ja johtavat myös
mekaanisen kulumiseen
Väärin:
Liian syvälle työnnetty haaraputki
aiheuttaa eroosiokorroosiota

4.2 Kavitaatiokorroosio (Pitting, kuoppakorroosio)
– Pintaan kohdistuvaa mekaanisen rasituksen
kiihdyttämää syöpymistä on nk. kavitaatio, jossa
nestevirtaukseen syntyneet kaasukuplat
luhistuvat, jolloin nesteeseen syntyy voimakkaita
paineaaltoja, jotka voivat rikkoa metallin pintaa
suojaavan passivaatiokalvon (tai muun
suojakerroksen)
– Esiintyy mm. hydraulilaitteissa, laivojen
potkureissa, pumppujen siipipyörissä ja
putkistoissa
– Jos passiivikalvo rikkoutuu iskumaisen
kuormituksen takia, käytetään joskus myös termiä
iskukorroosio

4.3 Hiertymiskorroosio
(Fretting-korroosio)
– Kyseinen, pintaan kohdistuva mekaanisen
rasituksen kiihdyttämä syöpyminen, tapahtuu
kahden toisiaan vastaan puristetun pinnan välissä
silloin, kun pinnat värähdellessään pääsevät
liikkumaan hieman toisiinsa nähden
– Esim. puristussovitteet, ruuvi-, niitti-, kitka- ja
kiilaliitokset (esim. löystymisen seurauksena)
– Esim. laakerit, lehtijouset, vaijerien
kosketuskohdat
• pinnan profiilihuiput murenevat  abrasiivi
• pinnan oksidikerros murenee  abrasiivi
• pinnasta irtoaa metallihiukkasia  abrasiivi
– Esimerkiksi kutistusliitoksissa jo 1/10 000 mm
siirtymä saa aikaan fretting-ilmiön
– Fretting-ilmiö vaurioittaa kutistusliitosten
pintoja ja laakerien tukipintoja
– Väsymiskestävyys voi laskea jopa 30-50%,
murtuma ei tapahdu liitetyn koneenosan
kohdalta, vaan hieman sisempää
– Pintaan esim. lämpökäsittelyllä tuotettu
puristusjännitys vähentää fretting-ilmiötä
5 Raerajakorroosio



Metalliseosten jähmettymisen, lämpökäsittelyn, hitsauksen
tai korkean käyttölämpötilan yhteydessä raerajoille voi
muodostua korroosionkestävyyttä heikentäviä yhdisteitä,
jolloin metalliseos syöpyy voimakkaasti raerajoja pitkin
Raerajakorroosiota voivat aiheuttaa raerajoille suotautuvat
epäpuhtaudet tai tietyn seosaineen rikastuminen tai
köyhtyminen matriisista raerajojen läheisyydessä (esim.
alumiinissa epäpuhtautena esiintyvä rauta voi suotautua
raerajoille)
Ruostumattomilla teräksillä tapahtuu herkistymisilmiö,
jossa lämpökäsittelyn tai hitsauksen yhteydessä raerajoille
muodostuu kromikarbidia ja sen viereen jää kromiköyhä
alue, johon ei muodostukaan suojaavaa passivaatiokerrosta
6 Valikoiva syöpyminen

Metalliseoksen jokin seosaine tai
mikrorakenneosa liukenee muita
nopeammin
– messingin sinkinkato
– alumiinipronssin alumiininkato hapoissa
– piipronsseissa piinkato
– suomugrafiittirautojen grafitoituminen
(rauta syöpyy jättäen jäljelle grafiittisuomurungon)
7 Jännitystilan ja korroosion
yhteisvaikutus

7.1 Jännityskorroosio
– metalliin muodostuu murtumia korrosiivisten olosuhteiden ja
pinnassa vaikuttavan (joko ulkoisesta kuormituksesta tai
sisäisistä jännityksistä johtuvan) vetojännityksen
yhteisvaikutuksesta
– happi ja lämpötilan nousu lisäävät jännityskorroosioherkkyyttä
– Esimerkkejä:
• syvävedettyjen tai kylmämuokattujen messinkituotteiden
vauriot typpiyhdisteissä (esim. ammoniakki)
• kylmämuokatut teräkset emäksisissä olosuhteissa
• austeniittisten ruostumattomien terästen
jännityskorroosio hapettavissa kloridiliuoksissa
• seostettujen terästen vetyhauraus (teräkseen syntynyt
vety esim. hitsauksesta johtuen)

7.2 Korroosioväsyminen
– Korrosiivisessa ympäristössä oleva rakenne
joutuu lisäksi värähtelyjen, vaihtokuormituksen tai
termisten vaihteluiden alaiseksi
– Ilman korroosion vaikutusta mitatuissa S-N
käyrissä voidaan havaita selvä väsymisraja, jota
pienemmät jännitysamplitudit eivät aiheuta
murtumaa, mutta korrosiivisissa olosuhteissa
väsymisrajaa ei esiinny, vaan hyvinkin pienet
jännitysvaihtelut johtavat murtumaan kuormanvaihtokertojen lisääntyessä
– esim. putkistot, säiliöt, venttiilit, pumput, akselit
8 Korroosion ehkäiseminen

Keinoja on useita:
– pinnoitus, suojamaalaus
– rakenteen geometrian suunnittelu edullisemmaksi
– liitostyypin valinta edullisemmaksi (kierreliitosten
välttäminen), sovitteiden oikea valinta
– hitsausohjeiden tarkka noudattaminen
– voitelu, värähtelyjen hallinta
– kuormitussuunnan muuttaminen, sisäisten jännitysten
poistaminen (haitallinen vetojännitys), jännityshuippujen
pienentäminen muotoilulla
– korrosiivisen väliaineen eristäminen, inhibiittien käyttö
– virtaustekniset ratkaisut
– materiaalin ja/tai materiaaliparin valinta
8.1Materiaalin valinnan suuntaviivoja



Monesti materiaalin valinta ei ole
keskeisin tekijä korroosiota
ehkäistäessä!
“Ruostumattomat” teräkset on laaja
materiaalien ryhmä, jonka sisällä eri
lajien korroosionkestävyys vaihtelee
huomattavasti
Monesti on järkevää pohtia myös
pinnoitteiden käyttöä
8.2 Huomioon otettavat pääkohdat
Valittaessa konstruktiomateriaalia korrosiivisiin olosuhteisiin
joudutaan ottamaan huomioon useita näkökohtia, esim:
Lämpötila
Jännitystila
Materiaalipari
Konstruktiomateriaali
Kemiallinen
ympäristö
Suuniteltu
tuotteen
valmistus
Pinnoitus
Korroosion laji
Materiaalin valinnan
suuntaviivoja
Yleinen
syöpyminen
- Valitse oikea syövyttävää
ainetta kestävä materiaali
Pistesyöpyminen
- Ruostumattomilla teräksillä
molybdeeniseostus parantaa
pistesyöpymisen kestävyyttä
Kuumakorroosio
-
MATERIAALI
Valitse sekä ko. kemialliseen
ympäristöön että korkeaan
lämpötilaan sopiva materiaali
SEOSTUS
KAKSI
KESKEISTÄ
VAATIMUSTA
Korroosion laji
Materiaalin valinnan
suuntaviivoja
Rakokorroosio
- Valitse ko.
korroosioympäristöä
paremmin kestävä materiaali
Galvaaninen
korroosio
- Valitse materiaalipareja, joilla on
mahdollisimman pieni
potentiaaliero
- Varo oksidikerroksen galvaanista
lisävaikutusta
- Sinkki suojaa rautaa tehokkaasti
vain +70°C asti
- Käytä yhteensopivia juotos- ja
hitsausaineita
Eroosiokorroosio
- Kulutusta kestävät materiaalit
- Keraamit
MATERIAALI
MATERIAALIPARI
PINNAN
KOVUUS
Korroosion laji
Materiaalin valinnan
suuntaviivoja
Kavitaatiokorroosio
- Valitse kavitaatioiskuja
kestävä rakenneaine tai
pinnoite (keraamit)
Hiertymiskorroosio
- Lisää materiaalin (pinnan)
kovuutta, järjestä
vastakkaisille pinnoille sopiva
kovuusero
Raerajakorroosio
- Vaativissa oloissa käytetään
niukkahiilistä austeniittista
ruostumatonta terästä
(C%<0.03)
- Katso myös muut
ruostumattomia teräksiä
koskevat ohjeet
PINNAN
KOVUUS
PINNAN
KOVUUS
MATERIAALIPARI
MATERIAALI
Korroosion laji
Materiaalin valinnan
suuntaviivoja
Valikoiva
syöpyminen
- Valitse materiaali tai
materiaalipari, jossa ei pääse
tapahtumaan valikoivaa
syöpymistä
Jännityskorroosio
- Valitse mahdollisimman
alhaisen myötölujuuden
omaava niukkahiilinen
virheetön teräs
- Varo vetyhaurautta
- Valitse ko.
kuormitustapaukseen ja ko.
ympäristöön sopiva materiaali
Korroosioväsyminen
MATERIAALIPARI
MATERIAALI
MATERIAALI
9 Valuraudat
– Kaikissa ilmasto-olosuhteissa,
merivedessä sekä maahan upotettuna
on suomu- ja pallografiittirautojen
korroosionkesto parempi kuin
seostamattomilla teräksillä
– Pallografiittirautojen korroosionkesto on
parempi kuin suomugrafiittirautojen
– Seostetuilla erikoisvaluraudoilla
saavutetaan vielä paremmat
korroosionkesto-ominaisuudet (esim. Niseostus)
10 Ruostumattomat teräkset
Valintaa puoltavat tekijät
Valintaa rajoittavat tekijät
- Hyvä syöpymiskestävyys
erityisesti hapettavissa
olosuhteissa
- Erinomainen
kylmämuovattavuus
- Sitkeys matalissa
lämpötiloissa
- Hyvä kuumalujuus
- Hyvä hitsattavuus
- Jännitys-, piste- ja
rakokorroosiovaara
erityisesti kloridiliuoksissa
- Herkistyminen
”runsashiilisillä” laaduilla
- Huono lastuttavuus
- Abrasiivisen kulumisen
kestävyys huono
- Rikki- ja suolahapon
kestävyys huono
Ferriittiset
Valintaa puoltavat tekijät
Valintaa rajoittavat tekijät
- Hyvä syöpymiskestävyys
erityisesti hapettavissa
olosuhteissa
- Vähäinen taipumus
jännityskorroosioon
- Hyvä lastuttavuus
- Edullisia
- Kylmämuovattavuus,
hitsattavuus,
”lämpökäsiteltävyys”
huonompia kuin
austeniittisilla
- Haurasmurtumisvaara
alhaisissa lämpötiloissa
- Haurastumisvaara
korkeissa lämpötiloissa
- Austeniittisia huonompi
virumislujuus
Martensiittiset
Valintaa puoltavat tekijät
Valintaa rajoittavat tekijät
Mahdollisuus karkaista
Suuri lujuus
Hyvä kulumisenkesto
Ei jännityskorroosiota
Austeniittisia ja ferriittisiä
suurempi väsymislujuus
- Hyvä korroosionkesto
neutraalissa ja emäksisessä ympäristössä
- Huono korroosionkesto
happamassa ympäristössä
- Huonompi
korroosionkestävyys
muihin ruostumattomiin
teräksiin verrattuna
- Huono hitsattavuus
- Vetyhaurausvaara
- Haurasmurtumavaara
-
Duplex
V a lin ta a p u o lta va t tek ijä t
V a lin ta a ra jo itta va t tek ijä t
- S u u ri lu ju u s
- H yv ä k lo rid ie n k e s tä v yys
- H yv ä k e s tä v yys
jä n n itys k o rro o s io ta v a s ta a n
- E i s o ve llu k o rk e is iin
lä m p ö tilo ih in
12 Alumiini ja alumiiniseokset
– Cu tekee seoksista karkenevia => lisää lujuutta ja kovuutta,
haitallinen vaikutus korroosionkestävyyteen
– Si alentaa sulamispistettä ja parantaa juoksevuutta, yhdessä
Mg:n kanssa antaa tulokseksi karkenevia seoksia, joilla hyvä
korroosionkestävyys
– Mg parantaa lujuutta ja kovuutta vaikuttamatta
korroosionkestävyyteen ja hitsattavuuteen
– Mn lisää lujuutta vaikuttamatta haitallisesti sitkeyteen
– Pb, Ti, Zr, Li työstöominaisuuksien parantaminen,
kuumahalkeilun välttäminen, lujuus jne.
– Alumiinin ja sen seosten
korroosionkestävyys ilmastollisissa
olosuhteissa on hyvä verrattuna
hiiliteräkseen.
– Oksidikerros suojaa alumiinin pintaa
olosuhteissa, joissa syövyttävän ympäristön
pH on alueella n. 4 - 8.5
– Pistekorroosio on alumiinin yleisin
korroosiomuoto
– Jännityskorroosio on alumiineilla harvinainen
– Jos alumiini liitetään kiinni jalompaan
metalliin on olosuhteista riippuen
galvaaninen korroosio mahdollinen
13 Korroosionopeuden mittaus

Eri keinoja:
– laboratoriokokeet, kiihdytetty korroosio
– korroosion seuranta prosessin aikana
• Korroosionopeus voidaan esittää syöpymän syvyytenä
aikayksikössä tai painohäviönä pinta-alayksikköä ja
aikayksikköä kohden
• väliaineen ominaisuuksien mittaus (tiheys,
reaktiotuotteet, liuosten sähkönjohtavuus, galvaanisen
virran mittaus, vedyn aiheuttaman paineen mittaus jne.)
– eri korroosiolajeille sopivat menetelmät
• esim. akustinen emissio jännityskorroosiolle
Esimerkki standardien käytöstä…
Teräksen keskimääräinen korroosionopeus r
- ensimmäisenä käyttövuotena,
- ensimmäisen 10 vuoden aikana ja
- vakiokorroosionopeus sen jälkeen
standardien ISO 9223 ja ISO 9224 mukaan rasitusluokissa C2…C4.
r (1.vuosi)
r (10 vuotta)
r (vakio)
C2
1,3…25 mm
0,5…5 mm/a
0,1…1,5 mm/a
C3
25…50 mm
5…12 mm/a
1,5…6 mm/a
C4
50…80 mm
12…30 mm/a
6…20 mm/a
Rasitusluokka
Ilmaston rasitusluokitus:
- ilmastokorroosio on jaettu luokkiin C1…C5
- C1 vastaa erittäin lievää ja C5 erittäin ankaraa korroosiorasitusta
- Suomessa kysymykseen tulevat luokat C2, C3 ja C4 (mittausten
mukaan Helsingin syövyttävyysluokka on C3-C4 ja sisämaassa
luokka on C2-C3).
Esimerkki käytännön vertailusta…
Kuluminen
1 Huomioon otettavat tekijät valittaessa
materiaalia kuluttavaan kohteeseen
Valittaessa konstruktiomateriaalia kuluttaviin olosuhteisiin
joudutaan ottamaan huomioon useita näkökohtia, esim:
Ympäristöolosuhteet
Hallitseva
kulumismekanismi
Materiaalipari
Konstruktiomateriaali
Voitelutilanne
Liikkeen
luonne
Pinnanlaatu
Kosketuskohdan
väliaine
Voideltu/
Voitelematon
Öljy/
rasva
1.1 Peruslähtökohdat valittaessa
materiaalia kuluttavaan kohteeseen:




Kuluminen on monen tekijän yhteisvaikutuksen tulos.
Eri kulumismekanismit voivat vaikuttaa yhtäaikaisesti,
mutta usein niistä voidaan osoittaa hallitsevin.
Tärkein keino estää liikkuvien osien kulumista on
voitelu. Tästä syystä kulumismekanismien ja
voitelutilanteiden tarkastelu tehdään samalla kertaa.
Joskus on edullista “antaa” koneenosan kulua:
valitaan helposti vaihdettava ja ympäristöä vähän
vaihdon jälkeen rasittava kohde, joka saakin kulua.
Kuluva osa toimii “sulakkeena” kalliimpiin osiin
nähden.
2 Kulumismekanismit
Adheesiokuluminen
 Abraasiokuluminen
 Väsymiskuluminen
 Tribokemiallinen kuluminen

2.1 Adheesiokulumisen periaate
Hitsauma
Liike
Partikkeli
Adhesiivisen kulumisen minimointi
edellyttää kulumiseen osallistuvilta
materiaaleilta:






Hyvää pinnanlaatua ts. vaaditaan esim. hyvää
koneistettavuutta
Korkeaa pintakovuutta
Materiaalien matalaa liukoisuutta toisiinsa
Materiaalien toisistaan poikkeavaa kiderakennetta
Vähäistä lujittumistaipumusta muokkauksen
ansiosta
Materiaalia/ materiaaliparia, joilla on sopiva
pintakerros, joka estää tarttumisen puhtaassakin
materiaaliparin kosketuksessa (esim. valurautojen
grafiitti)
Adhesiivinen tartunta
2.2 Abraasiokulumisen periaate
Kuormitus
Liike Abrasiivi
Abrasiivi
Pehmeämpi materiaali
Kulumishiukkanen
Abrasiivisen kulumisen minimointi
edellyttää kulumiseen ”osallistuvilta”
materiaaleilta:




Korkeaa pintakovuutta (kovempi kuin
abrasiivipartikkelit)
Kuumalujuutta
Muokkauslujittumiskykyä (lujuus ja
kovuus kasvavat)
Työstökarkenevuutta muokkauksen
ansiosta
Kovuuden merkitys ehkäistäessä
abrasiivista kulumista



Korkea pintakovuus ei rajatta kasvata
kulumiskestävyyttä, sillä kovimmilla materiaaleilla
murtumissitkeys on monesti pieni, jolloin
kulumishiukkanen irtoaa hauraasti murtumalla (ja
kulumisnopeus kasvaa)
Parempi keino on pyrkiä parantamaan kovemman
pinnan pinnanlaatua (esim. lastuttavuus)
Toinen keino on valita materiaalipari, jossa
kulumispartikkelit puristuvat pehmeämpään pintaan
ja lujittavat sitä
Voitelun merkitys ehkäistäessä abrasiivista
kulumista


Puhdas suodatettu voiteluaine kuljettaa
kosketuskohdasta pois abrasiiveja ja on
eduksi
Pitkään käytetty ja suodattamattomia
partikkeleja sisältävä voiteluaine pahentaa
abrasiivista kulumistilannetta
Tyypillinen abrasiivisen kulumisen tilanne:


Tavallisin koneenosia abrasiivisesti kuluttava
aineosa on hiekan kvartsikide, jonka kovuus
voi olla n. 800…1000 HV
Abrasiivista kulumista kestäviä metallisia
aineita (kun kuluttavan partikkelin kovuus on
max. 800 HV):
– osa kuulalaakeriteräksistä
– kromatut pinnoitteet
– osa pintakarkaistuista teräksistä
– nitratut teräkset
2.3 Tribokemiallinen kuluminen

Pintojen välissä oleva väliaine reagoi
kemiallisesti pintojen kanssa
– esim: voiteluaineen lisäaine, vesi, kaasu

Kulumisesta muodostuu yleensä eri
kulumismekanismien yhteistulos:
– reaktiotuotteet voivat aiheuttaa abraasiokulumista
– pinnat, joilla on tapahtunut kemiallisia reaktioita,
voivat olla alttiimpia adheesiokulumiselle
Tribokemiallinen kuluminen
(Esimerkkejä)



Polttoaineessa oleva rikki muodostaa korroosiota
aiheuttavia yhdisteitä sylintereiden pinnoille ja johtaa
suoraan kulumiseen
Ilmassa hapettuvan metallin pinnalle syntyy aluksi
suojaava oksidikerros (esim. alumiini). Kun kerros
tulee liian paksuksi, se voi lohjeta kovana ja
hauraana nopeuttaen muita kulumisen lajeja.
Metalliset kloridit, sulfidit ja fosfaatit ovat pehmeitä
korrosiivisen kulumisen tuotteita. Toisaalta ne
suojaavat pintaa hyvin adhesiiviselta kulumiselta, sillä
ne toimivat “voiteluaineena”.
Tribokemiallisen kulumisen vähentäminen



Voiteluaineen suodatus ja vaihtaminen (vesi
öljyn seassa)
Voiteluaineen ja sen lisäaineiden valinta
materiaaliparin mukaan
Tiivistysratkaisujen oikea toteutus
2.4 Väsymiskuluminen





Pinnat ovat toisiaan vastaan vierivässä ja/ tai
liukuvassa kosketuksessa
Pintaan tai heti pintakerroksen alle syntyy
jännitysvaihtelu, josta syntyy väsymishalkeamia
Kuormituksen jatkuessa halkeamat kasvavat
Lopulta pinnasta lohkeaa partikkeleja ja pintaa
“kuoppautuu” (pitting)  väsymiskuluminen johtaa
usein myös abraasiokulumiseen
Esiintyy mm. hammaspyörissä, nokkamekanismeissa
ja laakereissa
Väsymiskulumisen estäminen



Kuluminen ei saa lähteä liikkeelle, koska se etenee
nopeasti ensimmäisen halkeaman synnyttyä
Hyvä pinnanlaatu, perusmateriaalin sopivan
pinnoitteen valinta sekä tasainen pinnoitteen laatu
parantavat kulumiskestävyyttä
Karkaistun kerroksen ominaisuudet valittava oikein
(kovuus ja paksuus)
3 Kulumista kestävän materiaalin
ominaisuudet

Materiaalin/ materiaaliparin valinta voidaan tehdä
hallitsevan kulumismekanismin perusteella, jolloin
joudutaan tekemään kompromissi seuraavien
ominaisuuksien suhteen:
–
–
–
–
–
–
–
kitkakerroin pinnassa
metallien liukoisuus toisiinsa (adheesio)
itsevoitelevuus
korroosionkesto
karkenevuus ja maksimi kovuus
kimmoinen muodonmuutoskyky
lastuttavuus tai muuten saavutettavissa oleva pinnanlaatu
3.1Abrasiivista kulumista kestävät pinnoitteet ja materiaalit
Kestävyys
paranee
Suuret kuormat
Termiset
pinnoitteet
WC/Co
Paksut
keraamiset
pinnoitteet
Booriteräkset
CrC
Kestävyys
paranee
CrN
Termiset pinnoitteet
WC/Co
Plasmapinnoitus
Oksidointi:Cr, Al
Typetysteräkset
CrC, CrN
Hiiletyskarkaistut
Ohuet keraamiset pinnoitteet
teräkset
Typetysteräkset
Hiiletyskarkaistut teräkset
Austeniittiset
ruostumattomat
teräkset
Pienet kuormat
4 Kulumista kuvaavan
tunnusluvun määrittäminen

Archard:n laskukaava: V =ki×F × s

V = pois kulunut ainemäärä
ki = kulumisparikerroin
F = normaalivoima
s = liikepituus kulumiskohdassa
Kaava ei ole riippuvainen kosketusalasta ja
kaikki koskettaviin pintoihin ja materiaalipariin
liittyvät ominaisuudet sisältyvät kertoimeen ki











Muunnettu laskukaava: V =Ki×SC2 × RC3
V
S
R
Ki , C2,C3
= pois kulunut ainemäärä
= syntyvä kosketusjännitys kulumiskohdassa
= kuluttavien kuormituskertojen lukumäärä
= materiaaliparista ja pinnan eri ominaisuuksista riippuvat
kertoimet
Muunnettu kaava ottaa huomioon mm.
paikalliset pinnanprofiilin vaikutukset
kulumiseen sekä kuluttavan kuormituksen
syklisen luonteen
Eräissä yksinkertaisissa tapauksissa pelkkä
kitkakerroinkin eri materiaalipareille on hyvä
mittari