Alumiini materiaalina

Alumiini on kolmanneksi yleisin alkuaine maankuoressa, jota esiintyy ainoastaan oksideina luonnossa. Primäärialumiinia valmistetaan bauksiitista elektrolyysin avulla sekä alumiinia voidaan kierrättää lähes 100 prosenttisesti. Alumiini on materiaalina yleisesti käytetty hopeanvärinen metalli, joka on pehmeä ja helposti työstettävää. Sitä voidaan käsitellä laajasti kuten mm. kylmämuokata, valssata, valaa, ekstruudata ja hitsata sekä siitä voidaan valmistaa puolivalmisteita kuten levyjä, profiileja, palkkeja, lankaa, runkoja, jauhoa, tankoa ja foliota.

Alumiinia käytetään sen keveyden, lujuuden, pinnanlaadun, korroosionkeston ja sähkön- sekä lämmönjohtavuuden takia erilaisissa sovelluksissa. Alumiinille myös soveltuu monet pintakäsittelyt kuten anodisointi, passivointi ja maalaus. Alumiinia käytetään jonkin verran myös ilman pintakäsittelyä, koska sen pintaan muodostuu suojaava oksidikerros, joka hidastaa huomattavasti korroosion etenemistä. Vaihtoehtoja alumiinille on mm. teräkset, titaanit ja lujitetut komposiitit.

Alumiinin ominaisuudet

Puhtaana alumiini on pehmeä metalli, mutta seostamalla muita metalleja alumiini joukkoon voidaan sitä lujittaa ja muuttaa alumiinin muitakin ominaisuuksia. Taulukoissa alla on esitetty esimerkkejä alumiiniseosten mekaanisista-, lämpö- ja sähköisistä ominaisuuksista.

Mekaaniset	1080	2024	5456	6082	7075
Vetomurtolujuus – MPa – Rm	60 – 150	220 – 460	290 – 405	150 – 310	275 – 540
Vetomurtolujuus – MPa – Rp0,2	15-105	140 – 400	130 – 230	85 – 260	145 – 475
Tiheys – g / cm³	2,7	3	2,7	2,7	3
Kovuus – HBW	18 – 40	55 – 138	73 – 90	40 – 94	55 –163
Kimmomoduuli – GPa	68	71	68	69	70
Poissonin kerroin	0,33	0,33	0,33	0,33	0,32
Lämpöominaisuudet
Ominaislämpö kapasiteetti – J/kg·K	900	880	900	900	870
Sulamispiste – °C	640	640	640	650	640
Lämmönjohtavuus – W/(m·K)	230	120	120	160	130
Lämpötilakerroin – (µm/m)/K	23	23	24	23	23
Max toimintalämpötila  – °C	170	200	190	170	200
Sähköiset ominaisuudet
Sähkönjohtavuus (tilavuus) – %IACS	62	30	29	42	33
Sähkönjohtavuus (paino) – %IACS	200	90	97	140	98

Materiaalin erityisominaisuudet

Alumiini on litrapainoltaan kevyt ja helposti muokattava metalli, joka on myös helposti kierrätettävää. Se kestää hyvin korroosiota pinnalle muodostuvan suojaavan oksidikerroksen takia, joka uusiutuu itsestään naarmun tullessa. Alumiini ei ole magneettinen, sillä on hyvä lämmön- sekä sähkönjohtokyky ja sitä hyödynnetään paljon elektroniikkateollisuudessa. Alumiini myös heijastaa hyvin valoa ja lämpösäteilyä, jota hyödynnetään esimerkiksi valaisimien heijastimissa ja saunan eristeissä. Alumiini on tiivistä, eristävää ja sitä hyödynnetään mm. elintarvikepakkauksissa esimerkiksi alumiinifoliossa ja mehupurkeissa.

Alumiini säilyttää ominaisuutensa myös kylmissä olosuhteissa ja siksi se on hyvä materiaali esimerkiksi lentokoneissa, joissa lämpötila voi tippua jopa -50 ℃ asteeseen. Puhdas alumiini omaa pienen lujuuden, mutta lujuutta voi kasvattaa eri menetelmin kuten muokkauslujittaminen, liuoslujittaminen, dispersiolujittaminen ja erkaumakarkaisu sekä lujittaminen muuttamalla raekokoa. Alumiinin seosaineilla saadaan halutut ominaisuudet alumiinille. Seosaineita ovat mm. pii, kupari, magnesium, rauta, mangaani, sinkki ja nikkeli.

Alumiiniprofiili ja muut käyttökohteet

Puhdasta alumiinia käytetään yleisesti vain erikoistarkoituksissa kuten sähkömoottoreiden roottoreihin, mutta alumiiniseoksilla on taas laajat käyttökohteet. Alumiiniseoksia hyödynnetään kohteissa ja rakenteissa, joissa tarvitaan keveyttä, säänkestävyyttä, lujuutta, sähkönjohtavuutta, pinnanlaatua tai materiaalia, jota on helppo työstää ja muokata. Alumiiniseoksia käytetään paljon eri teollisuudessa ja käyttökohteita löytyy mm. lentokoneissa, ajoneuvoissa, junissa, pakkausmateriaaleissa, rakennuksissa ja elektroniikkateollisuudessa.

Alumiinista valmistettuja yleisiä puolivalmisteita ovat mm. alumiiniprofiilit, levyt, palkit, nauhat, rungot ja tangot. Alumiiniprofiilit ovat suhteellisen edullinen tapa hyödyntää alumiinia. Lämmitetty alumiini pursotetaan halutun profiilin muotoisen suuttimen läpi. Profiilivaihtoehtoja on lukuisia ja ne voidaan räätälöidä käyttötarkoitukseen sopiviksi. Alumiinilevyt puolestaan yleisesti kuumavalssataan tai kylmävalssataan. Alumiinilevyä sekä nauhaa voidaan muotoilla helposti esimerkiksi syvävetämällä tai venyttämällä. Alumiiniseosten lisäksi myös muita alumiiniyhdisteitä käytetään laajasti eri teollisuudessa. Esimerkiksi alumiinioksidia käytetään kovuutensa vuoksi hiomakivissä ja hiekkapaperissa.

Alumiinin käsittelymenetelmät

Alumiinin tärkeimpiin ominaisuuksiin voidaan lujuuden ja keveyden lisäksi laskea pinnanlaatu. Valetut alumiinit tyypillisesti puhdistetaan valamisen jälkeen. Puhdistusmenetelmiä ovat mm. purseiden leikkaus, hiominen, rummuttaminen, kuulapuhallus tai koneistus. Valetun alumiinin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa myös lämpökäsittelyllä.

Lämpökäsittelymenetelmiä ovat mm. erkautuskarkaisu, liuotushehkutus, jännitystenpoistohehkutus ja erilaiset vanhennukset. Alumiinipinnan ominaisuuksia kuten kemiallista kestävyyttä, kulumisenkestoa, adheesiota, väriä ja likaantumattomuutta voidaan parantaa erilaisilla pintakäsittelyillä. Alumiinia käytetään myös ilman pintakäsittelyä itsestään muodostuvan oksidikerroksen ansiosta. Alumiinille soveltuvia pintakäsittelyjä ovat mm. anodisointi, passivointi, maalaus, emalointi, metallointi, muovikalvopinnoitus, mekaaninen pintakäsittely kuten harjaus, hionta, kiillotus, puhallus ja kemiallinen pintakäsittely kuten peittaus, kemiallinen kiillotus, kromatointi tai fosfatointi.

Alumiinituotteeseen voidaan myös tehdä merkintöjä kuten logoja ja tähän soveltuu menetelmät kuten tampopaino, laserkaiverrus ja silkkipaino.

Alumiinin ulkonäkö

Puhdas alumiini on hopeanväristä ja seostetut alumiinit ovat yleisesti hopean tai harmaan eri sävyjä. Alumiinivalussa olevat pintaviat ovat helposti huomattavissa ja yleisesti pinta voidaan hylätä tai hyväksyä silmämääräisesti. Yleisimmät pintaviat ovat kylmäjuoksut.

Alumiinin pinnan ulkonäköä voidaan muuttaa erilaisilla pintakäsittelymenetelmillä. Anodisointi on yksi menetelmä, jolla saadaan näyttävä pinta aikaan. Eri anodisointeja ovat mm. värianodisointi, kova-anodisointi ja kiiltoanodisointi.

Alumiinin rajoitukset ja vaihtoehdot

Osa alumiiniseoksista voivat olla hankalia pintakäsitellä johtuen epätasaisesta raerakenteesta. Esimerkiksi anodisointia ei suositella tietyille alumiiniseoksille, jos vaaditaan laadukasta pintaa. Alumiinin heikkoutena on mm. kulumisenkesto, matala sulamispiste, alhainen kovuus ja kimmokerroin. Alumiini menettää lujuuttaan yli 200 ℃ asteen lämpötilassa ja siksi ei sovellu kuumiin olosuhteiseen ilman sopivaa jäähdytysmenetelmää.

Alumiini kestää hyvin korroosiota suojaavan oksidikerroksen ansiosta, mutta alumiinia syövyttävät hapot ja emäkset sekä suunnittelussa tulee huomioida galvaaninen korroosio. Vaihtoehtoja alumiinille ovat mm. teräkset, titaani ja lujitetut komposiitit sekä joissakin tarkoituksissa myös puu.

Kierrätettävyys

Alumiini on yksi suurimman kierrätysasteen omaava metalli. Teoriassa alumiini on lähes loputtomasti uudelleenkäytettävissä, mutta yleisesti vain noin kolmasosa päätyy kierrätettäväksi. Alumiinin kierrätys on teknisesti ja taloudellisesti kannattavaa ja esimerkiksi Suomessa kaikki alumiini on joko tuotu maahan tai se on kierrätettyä alumiinia. Kierrätetyn alumiinin sulatus vie vain 5 prosenttia louhitun alumiinin kuluttamasta energiasta. Alumiinin alhainen sulamislämpötila helpottaa myös kierrätyksessä. Luonnossa alumiini ei hajoa helposti ja aiheuttaa pääasiassa esteettistä haittaa.

Merkinnät ja tuotenimet

Alumiiniseokset jaotellaan eri sarjoihin niiden seosaineiden perusteella. Sarjat ovat esitelty taulukossa alla. Sarjat voidaan esittää eurooppalaisen nimikejärjestelmän mukaisesti esimerkiksi EN-AW-6061, jossa EN on etuliite, A tarkoittaa alumiinia, W muokattua tuotetta ja 6061 on 6000-sarjaan kuuluva tietty alumiiniseos. Sarja 1000 sisältää kaupallisesti puhtaimmat alumiinit.

Sarja	Pääseosaine	Käyttöesimerkki
1000	>99 % alumiini	Sähkönsiirto, elektroniikkateollisuus
2000	Kupari	Yleensä maalattuna, lentokoneteollisuus
3000	Mangaani	Lämmönsiirto, keittiövälineet, juomatölkit
4000	Pii	Hitsauslanka
5000	Magnesium	Rakennusteollisuus, paineastiat, meriteollisuus
6000	Magnesium ja Pii	Rakennusteollisuus, rekat
7000	Sinkki	Lentokoneteollisuus
8000	Muut seosaineet	Alumiinifolio
9000	Käyttämätön	Valmiustila

Alumiinit voidaan nimetä myös muita nimikejärjestelmiä hyödyntäen. Nimikejärjestelmiä on mm. EN, ISO, AA ja JIS. Muita merkintöjä on voi olla mm. kirjainyhdistelmä merkinnät eri valumenetelmille, lämpökäsitellyille ja muokkauslujituksille. Esimerkiksi S hiekkavalulle, T1 tarkoittaa kontrolloitua jäähdytystä ja luonnollisesti vanhennettua ja H1X tarkoittaa muokkauslujitettua.

Standardit

Alumiiniin liittyvät standardit koskevat mm. nimikkeitä, termien määritelmiä, tilojen tunnuksia, materiaalien ominaisuuksia, tuotteiden mitta- ja muototoleransseja, teknisiä toimitusehtoja sekä alumiinille soveltuvat testausmenetelmät. Standardeita on myös laadittu eri alumiinituotteille kuten valssatut levytuotteet, harkot, valut, putket, tangot, profiilit, langat, takeet ja kierrätysmetalli.XXhj.17.3.2024