Kovametalli

Kovametallit ovat metallimatriisikomposiitteja, joissa on kova faasi (esim. karbidi) ja sitä sitova metalli tai metalliseos. Karbidit antavat materiaalille kovuutta ja kulutuksenkestoa ja vastaavasti sidosaine tuo kovametallille sitkeyttä. Kovametalleihin luetaan tyypillisesti karbideja sisältävät metalliseokset. Ylivoimaisesti yleisimmin käytetty kovametalli on volframikarbidi (WC) sitoutettuna nikkeliin (Ni), kobolttiin (Co) tai metalliseoksiin. Muita yleisesti käytössä olevia karbidien alkuaineita ovat titaani (Ti), tantaali (Ta), molybdeeni (Mo), vanadiini (V) sekä kromi (Cr). Ensimmäisen volframikarbidin syntetisoi Henri Moissan 1890-luvulla. Kaupallinen käyttö alkoi 1920-luvulla Saksassa, kun hehkulamppujen volframilankojen valmistukseen haluttiin timanttimuottien tilalle halvempi ja korkeaa kulutusta kestävä materiaali. Kovametallit valmistetaan jauhemetallurgisesti.

Määrittely
Kovametallitermin määrittelyssä on havaittavissa selkeitä eroja ja ristiriitaisuuksia eri maiden välillä. Yhdysvalloissa käytetään termiä cemented carbides ja Euroopassa kovametallia (eng. hard metals). Kovametallitermiä ei tule sekoittaa termiin kermet, joka on terminologian yhtenäistämiseen pyrkivä yleisnimitys keraami- ja metallifaasin sisältäville komposiiteille. Toisaalta WC-Co-kovametallista voidaan myös käyttää nimitystä kermet. Yleisesti kovametallien vertaamisessa kermetteihin tulee kiinnittää huomiota kovan faasin tyyppiin ja sen osuuteen.

Ominaisuudet
Kovametallien parhaimpina fysikaalisina ominaisuuksina voidaan pitää niiden korkeaa kovuutta sekä erinomaista kulumisenkestoa. Kovametallien ominaisuuksiin pystytään vaikuttamaan seuraavilla tekijöillä:

Kovan faasin osuudella ja kovametallin koostumuksella
Kovan faasin partikkelien koolla, muodolla ja kokojakaumalla
Hiilipitoisuudella
Valmistusmenetelmällä 
Sidosaineen ja kovan faasin suhteella.

Tasaisten ominaisuuksien aikaansaamiseksi kovafaasipartikkelien kokojakauman tulee olla kapea ja huokoisuus on pyrittävä saamaan mahdollisimman vähäiseksi.
 
Kovan faasin pitoisuuden kasvaessa kasvavat myös kovametallin kovuus ja kulumisenkestävyys. Myös pienimpien kovafaasipartikkelien käyttö parantaa materiaalin kovuutta ja sitä kautta myös kulutuksen kestoa. Nykyisin onkin havaittavissa trendi käyttää alle 1 μm partikkeleja, minkä takia kovametalleja voidaan käyttää yhä vaativammissa käyttökohteissa. Sidosaineen merkitys on sitoa kovat partikkelit metalliseen matriisiin, jotta materiaalin sitkeysominaisuudet parantuisivat. Sidosaineen tehtävänä on myös vähentää jännityssäröilyä ja siitä seuraavaa halkeilua.

Kovametallien puristumislujuusarvot ovat myös korkeampia kuin monilla muilla materiaaleilla. Tyypillisesti kovametallien puristumislujuudet vaihtelevat välillä 3,5-7,0 GPa. Kovametalleilta vaaditaan myös hyvää lämpöshokin kestoa, koska niitä käytetään usein korkeaa kitkaa aiheuttavissa käyttökohteissa.

Valmistus
Kovametallin valmistus sisältää sarjan monimutkaisia toimintoja, jotka kaikki ovat kriittisiä lopputuotteen onnistumisen kannalta. Lopullinen tuote koostuu hienoista kovan faasin partikkeleista ja sitkeästä, verraten pehmeästä, sitovasta metallifaasista.

Volframikarbidituotteen valmistus sisältää tyypillisesti seuraavat vaiheet:
Metallisen volframijauheen tuottaminen malmista
Volframikarbidin valmistus
Mahdollisten seoskarbidien valmistus
Koboltin lisäys erilaisten jauhelaatujen tuottamiseksi
Puristusvoiteluaineen lisäys
Puristus
Esisintraus
Muodonanto
Lopullinen sintraus
Isostaattinen kuumapuristus.

Sintrauksen jälkeen harvoin saadaan valmista tuotetta, vaan yleensä tarvitaan jälkikäsittelyä, kuten kiillotusta tai hiekkapuhallusta. Sintrattu kappale usein myös jauhetaan uudelleen, ja jauheesta valmistetaan WC-Co–pinnoite termisellä ruiskutuksella.

Malmin prosessointi ja valmistus
Volframikarbidijauheen valmistamiseksi malmista on kaksi tapaa. Perinteisemmässä tavassa volframimalmi prosessoidaan kemiallisesti ammoniumparavolframaatiksi ja volframioksideiksi, minkä jälkeen nämä yhdisteet pelkistetään vedyllä volframimetallijauheeksi. Hienot volframijauheet sekoitetaan hiilen kanssa ja kuumennetaan vetyatmosfäärissä 1400-1500 °C:n lämpötilassa, jolloin saadaan volframikarbidipartikkeleita.

Uudemmassa tavassa volframikarbidi valmistetaan yksittäiskiteinä suoralla volframimalmin pelkistämisellä. Malmi sekoitetaan rautaoksidin, alumiinin, hiilen ja kalsiumkarbidin kanssa. Tällöin korkean lämpötilan (2500 °C) eksoterminen reaktio tuottaa sulan massan, joka jäähdytettynä koostuu volframikarbidista dispergoituneena rautaan. Lopuksi kiteinen volframikarbidi erotetaan kemiallisesti rautamatriisista.

Seoskarbidien valmistus
Titaani-, tantaali- ja niobikarbideja saadaan näiden metallien oksideista. Näitä oksideja sekoitetaan metallisen volframijauheen ja hiilen kanssa, minkä jälkeen sekoitetta kuumennetaan vetyatmosfäärissä tai vakuumissa oksidien pelkistämiseksi ja jähmeiden karbidiliuosten muodostamiseksi.

Eri jauhelaatujen valmistus
Erilaisia jauhelaatuja saadaan sekoittamalla esimerkiksi volframikarbidia metallisen sitojan (Co, Ni tai Fe) tai muiden kuutiollisten karbidien kuten TiC, TaC ja NbC kanssa. Jauheita täytyy jauhaa intensiivisesti, jotta karbidikiteet saadaan rikottua ja sekoitettua ne muihin komponentteihin. Jauhaminen voidaan suorittaa esimerkiksi kuula- tai vibraatiomyllyllä. Jauhaminen suoritetaan orgaanisessa liuottimessa jauheen kuumenemisen minimoimiseksi ja hapettumisen estämiseksi. Jauhamisen loppuvaiheessa jauhesekoitukseen lisätään voiteluaine, kuten esimerkiksi parafiini, joka antaa karbidipartikkeleille suojaavan kalvon ja vähentää merkittävästi jauheen hapettumista. Jauhamisen jälkeen orgaaninen liuos poistetaan kuivaamalla.

Jauheen tiivistäminen
Jauheen tiivistämiseksi haluttuun muotoon käytetään useampia eri menetelmiä. Esimerkiksi kaivos- ja rakennussovelluksissa käytetään pilleripuristusta, jossa paine tulee yhdestä suunnasta. Kulutus- ja metallinmuokkaustyökaluissa käytetään yleensä isostaattista kylmäpuristusta, jolloin kaikista suunnista tulee yhtä suuri paine. Ekstruusiolla taas voidaan muokata tankoja ja johtoja. Monimutkaisia osia ei usein muotoilla puristamalla, vaan ne koneistetaan valmiiksi puristetuista esiaihioista. Myös ruiskuvalun käyttöä kovametalleille on tutkittu paljon, mutta prosessi on kallis ja monimutkainen. Tämän vuoksi menetelmän käyttö on kannattavaa vain, jos osan muoto on liian monimutkainen muille menetelmille.

Sintraus
Aluksi sintrauksessa poistetaan voiteluaine jauhetiivisteestä. Puristetut tiivisteet laitetaan grafiittivaunuihin ja niitä kuumennetaan noin 500 °C:n lämpötilassa vetyatmosfäärissä tai vakuumissa grafiittiuunissa. Voiteluaineen poiston jälkeen tiivisteet kuumennetaan vakuumissa lopulliseen sintrauslämpötilaan, joka vaihtelee välillä 1350-1600 °C. Sintrauksen aikana koboltti sulaa ja sitoo karbidipartikkelit yhteen.

1970-luvulla kovametalliteollisuudessa alettiin käyttää isostaattista kuumapuristusmenetelmää (HIP), jossa vakuumisintrattu materiaali kuumennetaan uudelleen 100-150 MPa kaasunpaineessa lämpötilaan, joka on 25-50 °C alle sintrauslämpötilan. Menetelmällä kovametallista saadaan poistettua jäännöshuokoisuus ja virherakenteet.

Sintrauksen jälkeinen muokkaus
Useat kovametallituotteet muotoillaan sintrauksen jälkeen, jotta saadaan vaadittu pinnanlaatu, toleranssit ja geometria. Muotoiluun käytetään esimerkiksi erilaisia timanttityökaluja.

Käyttökohteet
Hyvistä kulumisominaisuuksistaan johtuen kovametallien tärkein käyttökohde löytyy leikkaustyökaluista pääsääntöisesti teräksen koneistukseen.  Kovametalleja käytetään työkalujen lastuavissa kärjissä. Kovametallisella terällä sorvattaessa lastuamisnopeus on noin viisinkertainen pikateräkseen verrattuna. Muita tärkeitä kohteita kovametalleille ovat esim. paperiteollisuuden kulutusta ja korroosiota kokevat kohteet, kaivosteollisuuden porat, maanrakennuksen työkalut, kuljetusalalla renkaiden nastat, metsäteollisuuden työkalut sekä erilaiset sotateollisuuden kohteet. Kovametalleista ei yleensä ole hintansa vuoksi järkevää valmistaa kokonaisia osia. Työkaluissa voidaan käyttää vaihdettavia kovametallista valmistettuja osia siellä, missä kulutus on voimakkainta. Usein on myös taloudellista pinnoittaa kovametallilla halvemmasta materiaalista valmistettu tuote.

Pinnoitteet
Pinnoitustavan valinta on vahvasti riippuvainen käyttökohteesta, tarvittavista ominaisuuksista sekä tuotteen koosta ja muodosta. Yleisimpiä tapoja valmistaa kovametallipinnoitteisia tuotteita ovat CVD (chemical vapour deposition, kemiallinen kaasufaasipinnoitus), PVD (physical vapour deposition, fysikaalinen kaasufaasipinnoitus) ja terminen ruiskutus, jossa erityisesti HVOF-ruiskutus (high velocity oxygen fuel, suurnopeusliekkiruiskutus).

CVD- ja PVD -tekniikoita käytetään yleensä työkalun kärkien pinnoittamiseen. Tuotteet ovat usein pieniä termisen ruiskutuksen kohteisiin nähden. HVOF on termisen ruiskutuksen alalta päätapa valmistaa karbidipinnoitteita. Termisellä ruiskutuksella valmistetut pinnoitteet ovat paksumpia, ja niitä valmistetaan usein suuriin kohteisiin, kuten paperikoneiden rulliin ja kaivosporien teriin. Huokoisuus saadaan alhaiseksi kaikilla mainituilla valmistusmenetelmillä. Termisesti ruiskutetun kovametallipinnoitteen ominaisuudet ovat voimakkaasti riippuvaisia valmistuksen parametreistä, kuten ruiskutuslämpötilasta, kovametallijauheen partikkelikoosta ja kokojakaumasta sekä jauheensyöttönopeudesta. Ominaisuudet voidaan räätälöidä käyttökohteen mukaan.

Volframikarbidi
Ensimmäiset kaupalliset kovametallit olivat volframikarbidia sidottuna kobolttimatriisiin. Volframikarbidi on käytetyin ja tutkituin kovametalli, ja useimmiten se sitoutetaan kobolttiin, mutta myös kobolttikromi- ja nikkelimatriiseja käytetään. Karbidipitoisuus kaupallisissa käyttökohteissa on pääsääntöisesti yli 70%. Volframikarbidipinnoitus on syrjäyttänyt galvaanisen kromipinnoituksen parempien mekaanisten ominaisuuksien ja ympäristöystävällisyyden vuoksi.. Nykyisin volframikarbidi on suosittu materiaali korujen valmistuksessa, varsinkin miesten vihkisormuksissa.

Kromikarbidi
Kromikarbidi on volframikarbidin ohella laajasti käytetty kovametalli. Kromikarbidin sidosmetallina toimii yleensä nikkelikromi. Sillä on erityisen hyvä korroosionkestävyys, ja kulutuskestävyys on suhteellisen hyvä korkeissakin käyttölämpötiloissa. Korkean käyttölämpötilan (jopa 800 °C) ja mekaanisten ominaisuuksien vuoksi kromikarbidipinnoitteita käytetään esim. ilmailuteollisuudessa.

Katso myös
Stelliitti

Lähteet

Metalliseokset