Aluminium som konstruktionsmaterial

Transkript

1 2010 Aluminium som konstruktionsmaterial Josephine Sörensen,

2 Innehållsförteckning 1 Inledning Råvara Egenskaper hos aluminium Legeringar Användningsområden för aluminium Hopfogning Limning Svetsning Bearbetning Ytbehandling Anodisering Korrosion Galvanisk korrosion Gropfrätning Spaltkorrosion Ekonomiska aspekter Aluminium för mig som konstruktör Källor Tryckta källor Bildkällor

3 1 Inledning Aluminium, som rätt så nyligt upptäckts och förädlats, är idag den näst mest använda metallen i byggkonstruktioner. Den vanligaste metallen är ännu så länge järn. Aluminium är ett så pass populärt material eftersom det besitter många positiva egenskaper. Aluminium har låg vikt, hög hållfasthet, bra formbarhet, är korrosionshärdig, har bra värme och elektricitetsledningsförmåga. 2 Råvara I jordskorpan finns det mycket aluminium. Hela 8 % av jordskorpan består av aluminiumföreningar i olika former. Det vikigaste råvarumaterialet när aluminium ska framställas är bauxit. Bauxiten bildas när aluminiumrika bergarter vittrat och det består av oxider av aluminium, järn och kisel. Bauxit bryts i gruvor och man har funnit så stora mängder av materialet att det räcker i år till med nuvarande produktionstakt. De största gruvorna finns i Australien, Brasilien och Jamaica. Ur bauxiten framställs aluminiumoxid Al 2 O 3 och ur aluminiumoxiden framställs aluminium genom smältelektrolys, (aluminiumoxiden löses upp och elektrolyseras i hög värme i en ugn). För att producera 1 kg aluminiummetall krävs 2 kg aluminiumoxid, som i sin tur kräver 4 kg bauxit för att framställas. Det krävs mycket ström för att bryta ner oxiden till metall. För att framställa 1 kg aluminiummetall med smältelektrolys krävs 47 MJ, dvs ca 13 kwh, jämför med en vanlig spisplatta som påslagen förbrukar ungefär 1 kwh per timme. All den använda energin som krävs vid aluminiumframställning sparas dock snabbt in, t ex i reducerad vikt i bilar som medför att bilen drar mindre bensin. En fördel med aluminium är att det är mycket lätt att återvinna materialet. Återvinningen kräver bara 5 % energi av den ursprungliga energiinsatsen, som krävdes för att framställa metallen. Återvinningen av aluminium försämrar eller förändrar inte metallens egenskaper vilket medför att en aluminiumbit kan återvinnas närmast oändligt många gånger. 3 Egenskaper hos aluminium Densiteten hos aluminium är 2.7 kg/dm 3 och det är ungefär en tredjedel av densiteten hos stål. Aluminiumlegeringar har draghållfasthet mellan N/mm 2. Aluminium blir heller inte sprött när det utsätts för kyla, något som kännetecknar stål och som är direkt farligt t ex i tågräls på kyliga platser. Vid höga temperaturer minskar dock aluminiums hållfasthet. Om en konstruktion i aluminium ska utsättas för konstant temperatur av 100 C påverkas hållfastheten i stor utsträckning och detta måste garderas för i konstruktionen. Längdutvidgningen hos aluminium är också större jämfört med andra metaller. Värme och elledningsförmågan i materialet är god, aluminium leder lika bra som koppar men väger ungefär hälften så mycket. Aluminium har god formbarhet i kallt och varmt tillstånd och är lätt att strängpressa, valsa och bocka. Det är lätt att bearbeta materialet och det finns bra metoder för att svetsning och limning. Korrosionshärdigheten är god eftersom aluminium får ett skyddande oxidskikt på ytan så snart metallen reagerar med syret i luften. Skiktet bildas och återbildas spontant, läs mer under rubriken 9 Korrosion. Aluminium är inte giftigt och det förekommer aluminiumföreningar naturligt i maten. 3

4 Här är en jämförelsetabell över de vanligaste bruksmetallerna och konstruktionsplasterna, källa Sapa Handbok för konstruktörer. Al Fe Cu Zn Nylon Delrin Densitet, g/cm Smältpunkt, C Värmekapacitet J/kg, C Värmekonduktivitet, W/m, C Längdutv.koeff., x 10 6 / C El. konduktivitet, % I.A.C.S * El. resistivitet, x 10 9 Ωm Elasticitetsmodul, GPa *100 % I.A.C.S ( International Annealed Copper Standard) är den konduktivitet som vid 20 C motsvarar 58 m/ω, mm Tabellen visar alltså att aluminium är lättast av dessa metaller och en låg smältpunkt i förhållande till järn och koppar. Plasterna är visserligen lätta men är inte så starka och klarar inte värme så bra. Zink vinner över aluminium i lägst smältpunkt men har istället hög densitet och stor längdutvidgningskoefficient. 4 Legeringar Olegerat aluminium är mjukt och hållfastheten är inte så hög. För att förbättra materialets egenskaper blandas olika legeringsämnen i. Nästan all aluminium som används är legerat med ett eller flera ämnen. Legeringsämne Legeringsbeteckning Legeringstyp Renaluminium 1000 serien Ej härdbar Koppar 2000 Härdbar Mangan 3000 Ej härdbar Kisel 4000 Ej härdbar Magnesium 5000 Ej härdbar Magnesium + kisel 6000 Härdbar Zink 7000 Härdbar Andra legeringsämnen 8000 De icke härdbara legeringarna används mest till valsning eftersom det är det enda sättet att höja dess hållfasthet genom kallbearbetning. Aluminium som strängpressas är av de härdbara legeringarna, vanligast är legeringar ur 6000 serien. De härdbara legeringarna uppnår sin högsta hållfasthet efter att de blivit upplösningsbehandlade och åldrade. Antingen blir legeringen kallåldrat eller varmåldrat. Varmåldringen går till så att aluminiumet läggs i en ugn ett par timmar. Kallåldring innebär att aluminiumet ligger och stabiliseras i rumstemperatur. Det finns ytterligare beteckningar 4

5 på legeringarna som visar om den blivit kall eller varmåldrad. T4 innebär upplösningsbehandlad och kallåldrat, T5 och T6 innebär upplösningsbehandlat och varmåldrat. 5 Användningsområden för aluminium Det finns en rad olika användningsområden för aluminium. Framförallt används det i konstruktioner och byggnationer, bilkarosser och fälgar, båtar, motorer, flygplanskroppar, läskburkar, hushållsfolie, designprylar, mm. 5

6 6 Hopfogning Det finns några olika metoder för att hopfoga aluminium. Framför allt kan det skruvas ihop med hjälp av skruvar eller muttrar. Snäppfogar är ett sätt att hopfoga delar. Antingen kan de konstrueras för att det ska gå att ta isär delarna eller för att de aldrig ska gå att ta isär. Snäppfogar tar minst tid att sammanställa och är ekonomiskt eftersom det inte kräver att något annat material tillsätts. Nitning, limning och svetsning är andra vanliga hopfogningstekniker. 6.1 Limning Limning användes redan på 40 talet i flygplansindustrin. Dagens flygplan limmas fortfarande och aluminium är den mest limmade metallen på marknaden. Limförbanden är många gånger starkare än exempelvis skruvförband och limförbanden tar upp skjuvkrafter bättre. En korrekt och hållbar limfog kräver att ytorna som ska limmas är rena. Föroreningar och oxider på ytan försämrar chanserna för en duglig limfog. Limmet måste väta den ytan som ska limmas. Detta betyder att limmet ska ha lägre ytspänning än materialet, annars kommer limmet bara bli liggande som en droppe istället för att flyta ut. Här är en bild på hur en yta kan se ut i ett mikroskåp. Det får inte vara allt för stor skillnad mellan topparna och dalarna i ytan. Förstorad yta Ett bra lim ska väta överallt på ytan. Limmet ska nå ända ner i dalarna på ytan för att ett bra resultat ska uppnås. Lim Alla lim väter aluminium bra. Om aluminium ska limmas ihop med ett annat material ska detta materials egenskaper vara styrande för limvalet. Det svåraste materialet att limma är plast eftersom det har så låg ytspänning. 6.2 Svetsning När aluminium ska svetsas måste hänsyn tas till att metallen reagerar med syre och att det snabbt bildas oxid på ytan. Oxiden är stark och har en hög smältpunkt (2050 C) så det är lätt att få svetsfel. 6

7 Oxiden är tyngre än smältan och kan ge inneslutningar. Därför är det viktigt att ta bort oxiden från fogytorna innan se ska svetsas ihop. Det kan göras genom att borsta med en stålborste. Det är också risk för porbildning. Vätgas (hydrogen) från fukt och föroreningar på metallbiten eller i luften har stor löslighet i smält aluminium men nästan ingen alls i stelnat material. När smältan stelnar utskiljs vätgasen i form av bubblor som kan fångas i den stelnande metallen och bilda porer. De vanligaste svetsmetoderna är gasbågsvetsmetoder som MIG och TIG. Argon och helium används som skyddsgaser. Argon och helium är ädelgaser (inerta gaser) vilket innebär att de inte kan ingå i en kemisk förening med något annat ämne. En blandning av argon och helium används vid MIGsvetsning och svetsningen används på godstjocklekar från 1 mm och uppåt. En tråd genom svetspistolen ger tillsatsmaterial så ytorna kan fogas samman. TIG svetsning är mer lämpligt vid tunt gods. Tillsatsmaterialet tillsätts från sidan och TIG svetsning som är rätt utfört ger den mest felfria svetsen. 7 Bearbetning Även om aluminium kan bearbetas lätt att det smartast att i största möjliga mån skapa en form som kräver så lite efterbearbetning som möjligt. Stansning heter egentligen klippning. För några år sedan stansades aluminium i högre utsträckning men höghastighetsbearbetning som borrning och fräsning är bättre lämpade ur produktionskostnadsperspektiv eftersom det inte kräver höga verktygskostnader och långa ledtider. Svarvning är möjligt för legeringar som ger korta spånor. Svarvning bör göras på en legering i så hårt tillstånd som möjligt eftersom mjuka material som svarvas ger problem såsom spånstockning, kraftig gasbildning och svårighet att hålla toleranser. En borr anpassad för aluminium har ca 130 spetsvinkel, ca 40 spiralvinkel och ett stort spånutrymme. Rätt verktyg ger snabb bearbetning, exempelvis ett 10 mm hål, 30 mm djupt borras på 0.3 sekunder. Fräsning används med bra resultat vad gäller toleranser, yta och avverkningshastighet. Vid kapning bör varvtalet ligga runt 3000 rpm och kapklingans diameter ska vara mellan mm. Detaljen som kapas kan bli så gradfri att ingen efterbearbetning behövs. Tid och pengar sparas. Dragbockning används mest när radierna ska vara snäva. Dragbockning kan inte göras på anodiserade profiler då oxidskiktet är så hårt och sprött att bockningen spricker upp i fina sprickor. Rullbockning används för bockning av detaljer med stora radier. Sträckbockning medger mycket hög noggrannhet men det är en stor investering att köpa verktygspaketet så metoden kräver att det är stora serier som ska tillverkas. Pressbockning används för enklare bockning i stora serier. Detaljerna som ska formas stukas. 8 Ytbehandling Ytbehandling av aluminium är inte nödvändigt ur korrosionssynpunkt eftersom ett oxidskikt bildas spontant på ytan. Oxidskiktet återbildas om det repas och är mycket tunt, bara några hundradels µm. Aluminium har mycket hög härdbarhet i neutrala och måttligt sura miljöer medan det i sura och starkt basiska miljöer korroderar snabbt. Att ytbehandla en aluminiumprofil kan ha andra orsaker än korrosionsmotstånd t ex få en förändrad ytstruktur, färgval, hårdhet, slitstyrka, reflexionsförmåga 7

8 eller elektrisk isoleringsförmåga. En yta kan slipas för att förbättra ytkvaliteten. Ofta anodiseras ytan eller lackas. Polering ger glansig yta och en glansanodisering efter det ger en högglansig yta. För att slippa slipa på en massa smådelar för att få bort grader, dvs små vassa taggar efter tillverkningen av dessa delar, så trumblas de tillsammans i en trumma. Då skaver delarna mot varandra och vassa delar blir nedslipade. Vid lackering är det främst pulverlackering som är vanligt eftersom detaljer kan bockas efter lackering, det har beständig yta, är tålig i utomhusbruk och är tålig för slag och repor. 8.1 Anodisering Anodisering är en av de vanligaste ytbehandlingsmetoderna för aluminium och det används för att bibehålla nyutseendet, korrosionsbeständigheten, ger en smutsavvisande yta vid höga krav på hygien, ger en dekorativ yta med beständig färg och glans, ger en yta som inte får fingeravtryck, ger ytor som klarar att nötas på eller ytor som är elektriskt isolerade. Själva anodiseringsprocessen går till i fyra steg; förbehandling, anodisering, infärgning om det ska vara en speciell färg och eftertätning. Metalldetaljen får en mekanisk eller kemisk förbehandling och är ordentligt rengjord. Likström ansluts till metalldetaljen och blir anod. En elektrolytisk cell bildas. Elektrolyten brukar bestå av utspädd svavelsyra i rumstemperatur. Vid elektrolysen omvandlas ytmetallen till oxid. Processen fortsätter tills rätt tjocklek uppnåtts. Vanligast är skikttjocklekar mellan 5 25 µm. Oxidskiktet är nu oskyddat och innehåller ett stort antal porer. Pordiametern är mellan Å. Porerna måste slutas och detta görs genom att doppa metalldetaljen i gradigt avjoniserat vatten. Aluminiumoxiden omvandlas till böhmit, volymen ökar och porerna sluts. Korrosionsbeständigheten för anodiserade bitar är mycket hög, speciellt om metallbiten befinner sig i en miljö som har ett ph värde på 4 9. Ytan är underhållsfri. De flesta bearbetningarna av detaljen bör ske innan anodiseringen eftersom kallformbarheten är dålig. Återvinning av anodiserade detaljer behöver ingen förbehandling som t ex lackade metalldetaljer där det krävs att lacken tas bort innan metallen återvinns. Det går att få vilken kulör som helst på den anodiserade detaljen, undantaget vit. Ännu så länge finns inget pigment som klarar att göra den grå aluminiumytan helt vit. Pigmentet som tillsätts i anodiseringsbadet, innan slutning, är tennsalt. 9 Korrosion Aluminium korroderar inte i miljöer med ph värde mellan 4 9. I sura eller alkaliska miljöer korroderar däremot aluminium snabbt. De vanligaste korrosionstyperna är galvanisk korrosion, gropfrätning och spaltkorrosion. 8

9 9.1 Galvanisk korrosion Galvanisk korrosion, som bilden ovan visar, kan uppstå när olika metaller ligger i direktkontakt med varandra och det samtidigt är en kontinuerlig elektrolytbrygga mellan metallerna. Den oädlare metallen, anoden, korroderar medan den ädlaste metallen, katoden, skyddas mot korrosion. En liten katod yta (exempelvis en stålskruv) och en stor anod yta (exempelvis en aluminiumplåt) ger en mycket liten korrosion. Är läget tvärt om kan det snabbt ge svåra korrosionsangrepp. Bilden visar en zinkskruv i en järnplåt vilket gör att skruven korroderar. Det är inte bra för skruven riskerar att försvinna och kan därför inte utföra det den är tänkt för. På den andra bilden ses en kopparskruv i en järnplåt vilket gör att skruven förblir intakt medan plåten förändras något, däremot inte så mycket så det innebär några risker. Galvanisk korrosion kan uppkomma då metallen utsätts för kloridhaltig miljö, t ex i havsmiljö. Det går att förhindra galvanisk korrosion genom att sätta elektrisk isolation mellan metallerna i t ex ett skruvförband. På så sätt får inte metallytorna direkt kontakt med varandra. Är det stora konstruktioner kan en annan lösning vara att måla katodytan för att bryta elektrolytbryggan. För att skydda exempelvis båtmotorer i aluminium monteras en offeranod i ett oädlare material på båten. Det oädlare materialet offrar sig, korroderar istället för att det blir något korrosionsingrepp på båtmotorn. 9.2 Gropfrätning Gropfrätning är den absolut vanligaste formen av korrosion på aluminium. Det uppstår när metallen utsätts för en enda elektrolyt, vatten eller fukt med lösta salter, vanligtvis klorider. Angreppen är inte stora och påverkar oftast inte hållfastheten men ger en ful och ojämn yta. Angreppen är värst på obehandlad aluminium och på konstruktioner med snäva hörn och fickor. Där kan exempelvis regnvatten ligga kvar och angripa ytan. Alla sådana samlingsställen för vatten bör konstrueras bort. 9.3 Spaltkorrosion Spaltkorrosion kan utvecklas i trånga vätskefyllda spalter. Aluminiumdetaljer som lagras eller transporteras kan ibland få vatten mellan ytor på olika detaljer som ligger mot varandra. Detta kan ge en ytlig korrosion som är vattenfläckar på materialet. Spaltkorrosion kan motverkas genom att tätningsmassa eller dubbelhäftande tejp används innan två ytor fogas samman. Det motverkar att vatten tränger in mellan ytorna. 9

10 10 Ekonomiska aspekter Även om aluminium har ett högre kilopris än stål kan detta kompenseras av de fördelar som användning av aluminium innebär. Aluminium har hög formbarhet, låga verktygskostnader, låga bearbetningskostnader, låg vikt men hög hållfasthet, lång livslängd, kräver inget underhåll och har ett högt återvinningsvärde. Om hållfastheten inte är högre än nödvändigt, ytfinheten inte är den finaste och toleranserna inte allt för snäva finns mycket pengar att spara i en aluminiumkonstruktion. 11 Aluminium för mig som konstruktör Att arbeta med ett material som aluminium ger en otrolig frihet. Nästan vad som helst är möjligt att konstruera. Att ha förståelse för materialet och vilka egenskaper det har gör det möjligt att konstruera smarta lösningar och utnyttja tilltalande egenskaper som t ex fjädring i ett snäppförband eller aluminiums låga vikt. Med ökad förståelse är det ju också lättare att undvika att göra misstag som att konstruera en produkt som resulterar i galvanisk korrosion. I höstas var jag på en veckas utbildning i Danmark. Utbildningen tog upp aluminium som konstruktionsmaterial och jag lärde mig mycket nytt. Jag har alltid varit intresserad av material och val av material i olika produkter. Vi fick lära oss bakgrundsfakta om aluminium, korrosionsrisker, se byggnader konstruerade i aluminium och lyssnade på gästföreläsare som berättade om sina företag som sysslade med aluminium. En dag åkte vi på studiebesök till Bang & Olufsens fabrik i Sturer. De har en stor flashig anläggning med kontor, museum, visningsrum med deras produkter i, matsal, och också en stor modern fabrik som tillverkar alla deras telefoner, högtalare, bilstereos, tv apparater osv. De hade egna anodiseringsbad och mycket automatiserad verksamhet. Det var riktigt intressant och lärorikt att se allting. Efter den kursen har jag upptäckt aluminium på flera ställen, framförallt i byggnader, och försökt reda ut hur detaljen är utformad och tillverkad. Stål är ett bra konstruktionsmaterial men jag tror att vi kommer se mer aluminium i konstruktioner i framtiden. Eftersom återvinningsvinsten är så hög i aluminium är det ett attraktivt material. Jag tycker mig se mer och mer miljömedvetenhet i industrierna. Tillverkande företag måste ta hänsyn till hur tillverkningsprocessen går till ur miljösynpunkt eftersom det krävs av lagstiftare och konsumenter. Ett material som går att återvinna om och om igen utan att egenskaperna försämras är därför väldigt bra. Det ultimata vore ju självklart att konstruera så mycket som möjligt i återvunnet aluminium för att på så sätt minimera energiåtgången. Att skapa aluminium från råvara är ju som sagt väldigt energikrävande. Att arbeta uteslutande med återvunnet aluminium skulle också kunna vara ett försäljningsargument för företaget. 10

11 12 Källor Tryckta källor SAPA (Svenska Aluminium Profiler AB) Handbok för konstruktörer, första upplagan 1995 Bildkällor Läskburk: go.com/files/image/press/aluminium_beverage_can01.jpg kl Husfasad: g/metal facade cladding aluminium jpg kl Flygplan: medium/spartan executive 7w gene ritchhart.jpg kl Båt: boat building/1982d aluminium boat design building skylark sea trial 1.jpg kl Hushållsfolie: pg kl Designhögtalare: olufsen.com/sound system kl ipod MP3 spelare, kl Galvanisk korrosion: kl