Metalliseos

Metalliseos eli lejeerinki on vähintään yhden metallin ja yhden tai useamman muun alkuaineen seos, jolla on metalliset ominaisuudet. Metalliseokset ovat yleensä kestävämpiä, kevyempiä ja/tai edullisempia kuin puhtaat metallit. Ne ovat monissa sovelluksissa puhtaita metalleja käyttökelpoisempia. Tyypillisiä esimerkkejä metalliseoksista ovat muun muassa teräs ja messinki.
Johdanto.
Metalliseos on vähintään kahdesta eri alkuaineesta koostuva aine, joista ainakin yksi on metalli. Tätä metallia kutsutaan seoksen perusmetalliksi. Muut aineet voivat olla joko metalleja, puolimetalleja tai epämetalleja. Lisäämällä näitä epäpuhtauksia voidaan muokata metalliseoksen ominaisuuksia, kuten metallin lujuutta. Metalliseos kuitenkin säilyttää metalleille tyypilliset ominaisuudet. Toisin kuin puhtailla metalleilla, metalliseoksilla ei yleensä ole tarkkaa sulamispistettä vaan sulamislämpötila-alue, jossa esiintyy sulan ja kiinteän faasin sekoitus.
Metalliseos valmistetaan tyypillisesti liuottamalla seosaineet sulaan perusmetalliin. Jäähtyneen ja kiteytyneen metalliseoksen ominaisuudet voivat erota hyvinkin paljon yksittäisten aineiden ominaisuuksista. Esimerkiksi kuparin ja tinan seos, pronssi, on huomattavasti lujempaa kuin kumpikaan metalleista itsessään. Lisäämällä rautaan hiiltä saadaan lujaa terästä. Teräksen ominaisuuksia voidaan edelleen muokata esimerkiksi lisäämällä siihen kromia, jolloin saadaan ruostumatonta terästä.
Metalliseoksen aineiden tulee liueta toisiinsa nestemäisessä olomuodossa, mutta ne eivät välttämättä ole liukenevia kiinteinä. Jos aineet ovat kiinteinäkin liukenevia, metalliseos on jähmeä liuos, joka on rakenteeltaan homogeeninen ja koostuu identtisistä kiteistä. Metalliseos on tällöin yksifaasinen. Mikäli ainekset eivät ole keskenään liukenevia kiinteinä, ne voivat erottua muodostaen erilaisia kiteitä. Tällöin metalliseos on heterogeeninen ja koostuu useammasta faasista. Joissakin metalliseoksissa liukenemattomat aineet saattavat erottua vasta kiteytymisvaiheessa lämpökäsittelyn seurauksena.
Luonnossa esiintyy joitakin metalliseoksia, esimerkiksi elektrumia, joka on kullan ja hopean metalliseos. Raudan ja nikkelin metalliseoksia on löydetty meteoriiteista, mutta maapallolla niitä ei esiinny luonnostaan.
Valmistus.
Metalliseoksia valmistetaan pääasiassa neljällä eri tavalla.
Metalliseosten rakenne.
Yksifaasiset seokset.
Yksifaasiset metalliseokset ovat niin sanottuja kiinteitä liuoksia tai jähmeitä liuoksia. Kiinteitä liuoksia on kahta tyyppiä: väli- ja korvaussijaliuoksia. Välisijatyyppisessä metalliseoksessa seosatomit asettuvat metallihilassa metalliatomien väleihin. Tällaisen seoksen syntymisen edellytyksenä on, että välisija-atomit ovat tarpeeksi pieniä. Sopivia atomeja ovat esimerkiksi hiili, happi ja typpi.
Korvaussijaseoksessa seosatomit korvaavat metalliatomeja. Korvaussijaliuoksesta voidaan myös käyttää nimeä aukoton liuos. Nimi tulee siitä, että aukottomassa liuoksessa seostettavat aineet liukenevat toisiinsa kaikissa suhteissa muodostaen yksifaasisen systeemin. Aukottoman liuoksen muodostumiselle on neljä ehtoa:
Esimerkiksi kupari ja nikkeli muodostavat aukottoman liuoksen. Niiden kokoero on pieni, sillä kupariatomin säde on 0,128 nm ja nikkelin 0,125 nm. Molempien kiderakenne on pintakeskeinen kuutiollinen (PKK) ja niiden elektronegatiivisuusero on vain 0,1. Kupari esiintyy valensseilla +1 ja +2 ja nikkeli valenssilla +2. Koska kaikki neljä ehtoa täyttyvät, muodostavat kupari ja nikkeli aukottoman liuoksen.
Välisija- ja korvaussijaseokset eivät tietenkään ole toisiaan poissulkevia, ne voivat esiintyä myös yhtä aikaa.
Monifaasiset seokset.
Mikäli seostettavat aineet eivät liukene toisiinsa kaikissa suhteissa, voi syntyä metalliseoksen rakenteeseen faasierottumia. Tällöin esimerkiksi mikroskooppikuvissa havaitaan selkeitä toisistaan erottuvia alueita. Monifaasiset metalliseokset voivat olla metallien seoksia, esimerkkinä lyijyn ja tinan seokset. Ne voivat myös olla metalliseosten ja yhdisteen seoksia, kuten raudan (ferriitti) ja sementiitin (Fe3C, rautakarbidi) seos. Monifaasisilla seoksilla on lukuisia erilaisia rakenteita.
Historia.
Historia 1700-luvulle asti.
Puhdasta kuparia ja kultaa lukuun ottamatta ensimmäiset metallit, joilla oli teknologista merkitystä, olivat metalliseoksia. Noin 2500 eaa. havaittiin, että kuparia ja tinaa seostamalla saatiin aikaan pronssia, joka oli puhdasta kuparia lujempaa. Pronssin merkitys oli niin suuri, että sen mukaan on nimetty kokonainen aikakausi, pronssikausi. Tinaa ei ollut kaikkialla saatavilla, joten Lähi-idässä alettiin seostaa kupari- ja sinkkimalmeja, jolloin syntyi messinkiä. Metallinen sinkki löydettiin vasta keskiajalla.
Elohopean seosten, amalgaamien, historia alkaa noin 200 eaa., ja niiden nimi on peräisin elohopean kyvystä pehmentää kultaa ja hopeaa. Amalgaameja hyödynnettiin muun muassa kultauksessa, sillä näillä seoksilla pystyttiin maalaamaan pintoja, joita lämmitettäessä elohopea saatiin haihtumaan. Kyseinen menetelmä oli käytössä jopa 1800-luvulle asti etenkin Venäjällä.
Jalometallien seosten määrä lisääntyi Amerikan intiaanien seostaessa kultaa ja kuparia, kultaa ja platinaa sekä hopeaa ja kuparia. Kullan ja kuparin seoksilla oli suhteellisen alhainen kiehumispiste ja sitä hyödynnettiin näiden seosten valamisessa. Lisäksi seosten kovuus saatiin pronssin tasolle niitä takomalla. Vaikka seoksen kuparipitoisuus olisi ollut korkea, näyttivät siitä tehdyt tuotteet puhtaalta kullalta. Vastaavasti hopean ja kuparin seos näytti puhtaalta hopealta. Näitä ominaisuuksia hyödynnettiin vilpillisessä kaupankäynnissä. Platinaa ei tuohon aikaan saatu sulatettua, joten sitomalla platinapartikkelit kullalla saatiin tuotettua näiden metallien seos, joka voitiin takoa homogeeniseksi.
1540-luvulla julkaistussa Biringuccion kirjassa Pirotechnia kerrotaan tina-amalgaamien käytöstä peilien valmistuksessa. Myös kirjapainon kehityksen myötä kirjasimissa käytetyt tinan, lyijyn ja antimonin seokset mainittiin kyseisessä teoksessa.
1700-luku.
Kiinalaiset olivat valmistaneet valkoisena kuparina tunnettua kuparin, nikkelin, sinkin ja raudan seosta jo satoja vuosia ennen sen yleistymistä Euroopassa 1700-luvun lopulla, kun metallinen nikkeli löydettiin.
Ranskalaisen kemistin Marcellin Bertholletin vuonna 1786 tekemä havainto hiilen merkityksestä raudan ja teräksen välillä oli merkittävä lähtökohta terästen kehityksessä. Vuonna 1819 Michael Faraday aloitti tutkimuksen eri seosmetallien vaikutuksesta terästen ominaisuuksiin. Faradayn tutkimus jäi kuitenkin kesken ja näytteet analysoitiin loppuun vasta vuonna 1931. Analyysin suorittanut Robert Hadfield huomautti, että mikäli Faraday olisi saattanut tutkimuksensa loppuun, olisi seosmetallien aikakausi alkanut puoli vuosisataa aiemmin.
1800-luku.
1830-luvun alkaessa Keski-Euroopan suuria nikkeliesiintymiä hyödynnettiin aktiivisesti saksalaisena hopeana tunnetun kuparin-nikkelin ja sinkin seosten valmistuksessa. Seos oli taloudellista valmistaa ja valaa ja lisäksi sillä oli hopeinen väri. Nikkelin muut seokset yleistyivät 1800-luvun puolivälin jälkeen, kun kuparin ja nikkelin seosta alettiin käyttää kolikoissa sen helpon sulattamisen ja työstettävyyden takia.
Terästen ensimmäiset kehitysaskeleet tapahtuivat vuonna 1882, kun Robert Hadfield havaitsi terästen iskulujuuden ja kulumiskestävyyden parantuvan, kun niihin seostettiin 13 % mangaania. Vuonna 1896 Charles Guillaume havaitsi terästen lämpölaajenemisen alenevan merkittävästi, kun niihin seostettiin 40 % nikkeliä. Tämä havainto tuli merkittäväksi tarkkuutta vaativissa sovelluksissa, kuten kellojen koneistoissa.
Koboltin seoksia, jotka myöhemmin tulivat tunnetuiksi stelliitteinä, alettiin tutkia 1800-luvun lopulla osana korroosiota kestävien seosten tutkimusta. Näiden seosten havaittiin säilyttävän kovuutensa korkeissa lämpötiloissa sekä sietävän hyvin korroosiota.
1800-luvulla kehitetyillä metallografisilla mikroskoopeilla ja faasisäännöllä oli suuri vaikutus metalliseosten tutkimuksessa ja kehityksessä. Kiillotustekniikoiden kehityttyä kiderakennetta ja sen vaikutusta mekaanisiin ominaisuuksiin saatiin tutkittua.
1900-luku.
Alumiini tuli kaupallisesti merkittäväksi 1900-luvun alussa, kun sen lujuutta saatiin nostettua seostamalla siihen kuparia ja magnesiumia ja lämpökäsittelemällä tätä seosta. Alumiinin seoksia tutkinut A. Wilm lämmitti seosta 500 celsiusasteeseen saakka ja tämän jälkeen jäähdytti seoksen nopeasti vedessä. Tuloksena oli seos, joka oli edelleen pehmeä, mutta jonka lujuus nousi, kun jäähdytettyjä kappaleita varastoitiin huoneenlämmössä. Wilm havaitsi lujuuden tasoittuvan huippuarvoonsa neljässä päivässä.
Myös monet magneettiset metalliseokset kehitettiin 1900-luvulla. Vuonna 1910 havaittiin teräksen säilyttävän magneettisuutensa, mikäli siihen seostettiin volframia ja molybdeeniä. Japanissa kehitettiin monin verroin voimakkaampi magneettinen seos, jossa oli volframia, kromia, kobolttia ja rautaa. Myöhemmin kehitettiin edelleen vahvempia magneettisia metalliseoksia, joissa oli alumiinia, nikkeliä, rautaa ja kobolttia. Näitä seoksia käytetään magneettien lisäksi muun muassa pienissä moottoreissa ja televisioiden kuvaputkissa.
Merkittävä löytö oli vuonna 1912 havaittu nikkelin ja kromin vaikutus terästen korroosionkestoon. Nämä ruostumattomat teräkset ovat edelleen tärkeitä esimerkiksi ruoka- ja lääkeaineteollisuudessa.
Ensimmäiset havainnot muistimetalleista tehtiin 1930-luvulla, kun kullan ja kadmiumin seoksilla havaittiin pseudoplastisia ominaisuuksia. 1960-luvun alussa kehitettiin ensimmäinen toimiva nikkelin ja titaanin muodostama muistimetalli, jonka havaittiin palautuvan muokkauksen jälkeen alkuperäiseen muotoonsa lämmityksen yhteydessä.
2000-luku.
Metalliseosten kehitys jatkuu 2000-luvulla ja monet tutkimuskohteet liittyvät jo aiemmin seostettujen metallien seostamiseen toisilla metalleilla sekä seosten ominaisuuksien parantamiseen. Kuitenkin myös täysin uusia kehityssuuntia on löydetty ja esimerkiksi magnesiumin seoksen muodostama metallivaahto on kehitetty. Vaahdolla on jopa vettä alhaisempi tiheys sekä hyvät mekaaniset ominaisuudet, jotka tekevät siitä potentiaalisen materiaalin hyödynnettäväksi vesikulkuneuvoissa.
Tunnettuja metalliseoksia.
Teräs on yksi tunnetuimmista ja käytetyimmistä metalliseoksista. Teräs on raudan ja hiilen metalliseos, jossa hiilipitoisuus on alle 2,14 %. Tätä suuremmilla hiilipitoisuuksilla puhutaan valuraudasta. Lisäämällä teräkseen muita metalleja, saadaan erilaisia teräslaatuja, kuten ruostumatonta terästä.
Messinkiä (kupari, sinkki) käytetään muun muassa lukoissa ja soittimissa. Pronssi (kupari, tina) on vanhin tunnettu metalliseos, ja sitä käytetään niin taiteessa kuin teollisuuden sovelluksissakin. Myös esimerkiksi koruteollisuudessa käytettävät kulta ja hopea ovat usein metalliseoksia, jolloin kullan tai hopean osuus metalliseoksessa ilmoitetaan karaatteina. Valko- ja punakulta ovat hyvin tyypillisiä korumetalliseoksia. Amalgaamia (elohopea, jokin toinen metalli) puolestaan käytettiin ennen hampaiden paikkauksessa.
Niin kutsutut superseokset ovat metalliseoksia, jotka säilyttävät mekaaniset ominaisuutensa korkeissakin lämpötiloissa. Lisäksi ne ovat kestävät hyvin korroosiota ja hapettumista. Näitä superseoksia käytetään runsaasti teollisuudessa.
Joillekin metalliseoksille on annettu erityinen nimi niiden keksijöiden mukaan. Tällaisia metalliseoksia ovat muun muassa Woodin metalli (massaprosentteina 50 % vismuttia, 12,5 % kadmiumia, 25 % lyijyä ja 12,5 % tinaa), Rosen metalli (50 % vismuttia, 27,1 % lyijyä ja 22,9 % sinkkiä) ja Fieldin metalli (51 % indiumia, 32,5 % vismuttia ja 16,5 % sinkkiä).
Metalliseoksiin perustuvia lujitusmekanismeja.
Metallien muodonmuutos sulamislämpötilaa alhaisemmissa lämpötiloissa tapahtuu pääosin dislokaatioliikkeen avulla. Metalleja voidaan lujittaa estämällä dislokaatioiden liikettä, mikä on mahdollista muun muassa seostamisen avulla.
Liuoslujittaminen.
Särmädislokaatiot aiheuttavat kulkutasonsa yläpuolelle puristusjännitystä. Seostamalla metalliin ainetta, jonka atomien halkaisija on pienempi kuin seoksen perusmetallin, voidaan metallihilaan aiheuttaa paikallisia vetojännityksiä. Dislokaatioiden puristusjännityskentillä on tapana jäädä jumiin näihin seosatomien aiheuttamiin vetojännityskenttiin. Vastakkaissuuntaisina jännityksinä ne ikään kuin tasapainottavat toisensa.
Särmädislokaatiot aiheuttavat myös kulkutasonsa alapuolelle jännitysvääristymän. Toisin kuin kulkutason yläpuolelle, sen alapuolelle dislokaatio aiheuttaa vetojännitystä. Seostamalla metalliin jotain ainetta, jonka atomin halkaisija on suurempi kuin seoksen perusmetallin, voidaan metallin hilaan aiheuttaa paikallisia puristusjännityksiä. Kun seosatomin aiheuttama puristusjännitys ja dislokaation aiheuttama vetojännitys kohtaavat, niin ne tasapainottavat toisiaan ja dislokaation liikkuminen vaikeutuu.
Erkaumakarkaisu.
Toinen tyypillinen metallien seostukseen perustuva lujitustapa on erkaumakarkaisu. Erkaumakarkaisussa valmistetaan ensin ylikylläinen liuos. Tämä tapahtuu siten, että ensin toisiinsa liukenemattomien metallien seosta lämmitetään kunnes metallit ovat täysin liuenneet toisiinsa. Tämän jälkeen lämmitetty seos, jossa metallit ovat liuenneena toisiinsa, jäähdytetään niin nopeasti, että metallit eivät ehdi erottua toisistaan omiksi faaseikseen. Näin syntyy ylikylläinen liuos, eli metalliseos on metastabiilissa tilassa. Ylikylläistä liuosta lämmitetään tarpeen vaatiessa sammuttamisen jälkeen, jolloin faasit alkavat hallitusti erottua. Tätä prosessia kutsutaan vanhenemiseksi tai erkautushehkutukseksi. Erottuneet faasit vääristävät kidehilaa vaikeuttaen dislokaatioiden liikettä.
Jotta erkaumakarkaisun suorittaminen metalliseokselle on mahdollista, seuraavien ehtojen on täytyttävä:
Tämä on tyypillinen lujitustapa esimerkiksi alumiiniseoksille.