HUOKOISET METALLIT – HUOKOISTEN 316L-

KAPPALEIDEN RUISKUVALAMINEN JA ANALY-

SOINTI

Matti Kultamaa

PRO GRADU -TUTKIELMA

Fysikaalinen kemia

Kemistitutkijan koulutusohjelma

623/2019

1

Huokoiset metallit – Huokoisten 316L-kappaleiden ruiskuvalaminen ja analysointi

Porous Metals – Injection Molding and Analysis of Porous 316L Objects

Matti Kultamaa, 249635

Itä-Suomen yliopisto, Kemian laitos

Ohjaajat: professori Mika Suvanto ja nuorempi tutkija Paavo Auvinen

Joensuu 18.5.2019

Tiivistelmä

Huokoiset metallit, joita kutsutaan myös vaahtometalleiksi, ovat metalleja, joiden rakenteessa on

yleensä ilmaa sisältäviä huokosia. Huokoisten metallien valmistuksessa voidaan käyttää monia eri

metalleja ja metalliseoksia, kuten alumiinia, kuparia tai ruostumatonta terästä, minkä vuoksi

huokoiset metallit ovat fysikaalis-kemiallisilta ominaisuuksiltaan monipuolinen materiaaliryhmä.

Lisäksi eri materiaalien huokoisuusaste sekä huokosten koko, muoto ja yhteenliittyvyys vaihtelevat,

joten eri huokoisten metallimateriaalien rakenteet voivat poiketa toisistaan merkittävästi. Huokoisten

metallien valmistamiseksi on kehitetty lukuisia menetelmiä, ja menetelmän valintaan vaikuttaa tuleva

käyttökohde. Huokoisten metallien keskeisimpiä ominaisuuksia ovat keveys verrattuna

tavanomaisiin metalleihin, sähkön- ja lämmönjohtavuus, mekaanisen kulutuksen, korroosion ja

korkeiden lämpötilojen kesto sekä nesteiden ja kaasujen läpäisykyky. Esimerkiksi rakennusteollisuus

ja biolääketiede hyödyntävät huokoisia metalleja kevyenä rakennusmateriaalina; huokoisten

metallien lämmön- ja sähkönjohtavuus sekä läpäisevyys mahdollistavat niiden käyttämisen muun

muassa katalyytisissä, akustisissa sekä lämmönsiirtoon perustuvissa funktionaalisissa sovelluksissa.

Tämän pro gradu -tutkielman kokeellisessa osassa tutkittiin polyvinyylialkoholin (PVA)

käyttökelpoisuutta huokosia muodostavana tilanvaraajana (space holder) valmistettaessa huokoisia

metallikappaleita 316L-ruostumattomasta teräksestä ruiskuvalumenetelmällä. PVA:ta käytettiin

tilanvaraajana pääasiassa yhdessä natriumkloridin (NaCl) kanssa. PVA osoittautui vaativaksi

materiaaliksi ruiskuvaluprosessin kannalta, koska valamista seuraavassa irrotusvaiheessa liuottimena

käytetty vesi saa PVA:n laajenemaan teräskappaleen sisällä hajottaen kappaleen. Riittävän korkeaa

suolapitoisuutta (30 massaprosenttia suolan ja teräksen kokonaismassasta) ja suhteellisen matalaa

PVA-pitoisuutta (2,0 massaprosenttia kokonaismassasta) käyttämällä onnistuttiin valmistamaan

kiekkomaisia, huokoisia teräskappaleita, joiden huokosrakenne on hyvin verkottunutta.

Koska PVA:ta käyttämällä valmistettujen kappaleiden kestävyys ei ollut riittävää mekaanista

testausta ja tribologisia tutkimuksia varten, valmistettiin huokoisia 316-kappaleita pelkkää

natriumkloridia tilanvaraajana käyttäen. Taivutustestit ja tribologiset määritykset tehtiin kolmella

huokoisuusasteella: kappaleilla, joiden valmistamisessa käytettiin 5, 10 ja 15 massaprosenttia suolaa.

Tribologilla määritetyssä liikekitkakertoimen arvossa ei tapahtunut merkittävää muutosta

huokoisuuden kasvaessa käytetyillä painoilla 1, 3, 5 ja 7 N. Kolmipisteisessä taivutustestissä nähtiin

selvä trendi taivutuskestävyyden laskusta huokoisuuden kasvaessa.

2

Abstract

Porous metals, or foam metals as they are often called, are metallic materials having pores in their

structure. The pores are usually filled with air. Different metals or alloys, aluminium, copper or stain-

less steel to name of few, can be used to produce this type of materials, leading to differences in

physical and chemical properties between different types of porous metals. In addition, the structures

of porous metals vary based on differences in porosity as well as pore size, shape and connectivity

between different porous metal materials.

Multiple production methods have been developed to produce porous metal materials. The choice of

production method depends on the future application of the produced material. The essential proper-

ties of porous metals are thermal and electrical conductivity, permeability and resistance to corrosion,

high temperatures and mechanical forces. They are also lightweight compared to conventional metal

materials, which makes them good materials in applications such as construction industry and bio-

medicine. More functional applications include fields such as catalysis, acoustic control and heat

transfer which utilize the good thermal and electrical conductivity and permeability of porous metal

materials.

The potential to use polyvinyl alcohol (PVA) as space holder in the fabrication of porous 316L stain-

less steel objects by metal injection molding (MIM) was researched in the experimental section of

this master’s thesis. In the research, sodium chloride (NaCl) was usually used as an additional space

holder. PVA was found to be a rather difficult material in the MIM process. During debinding phase

PVA, though water-soluble, swells when introduced to water which was used as a solvent, thus break-

ing the structure of the steel object. When using sufficiently high mass percentage of sodium chloride

(circa 30 mass percent salt of the total mass of salt and 316L) and only 2.0 mass percent of PVA of

the total mass of the feedstock, disc-shaped porous 316L-objects were successfully produced. These

objects have a highly webbed inner structure.

The original research plan involved the analyzing of newly produced porous 316L-objects using me-

chanical bending test and tribological measurements. As the use of PVA as space holder did not yield

sufficiently durable objects to be used in the measurements, new porous objects were produced using

only sodium chloride as a space holder material. Objects with three grades of porosities were pro-

duced: 5, 10 and 15 mass percent of sodium chloride of the total mass. The kinetic friction coefficient

for the objects of each porosity was determined using tribometer and normal loads of 1, 3, 5 and 7

Newton. No considerable change in kinetic friction coefficient was recorded with different porosities.

However, in three-point flexural test, a distinct decrease in flexural strength was observed as a func-

tion of increasing porosity.

3

Sisällysluettelo

1. Johdanto ....................................................................................................................... 7

2. Huokoisten metallien ominaisuudet ............................................................................. 8

3. Huokoisten metallien valmistusmenetelmät ............................................................... 10

3.1. Sulan metallin vaahdotukseen perustuvat menetelmät ....................................... 10

3.1.1. Kaasun injektio ......................................................................................... 10

3.1.2. Vaahdotusaine ........................................................................................... 11

3.1.3. Jauhemetallurgia ....................................................................................... 13

3.2. Valamismenetelmät ............................................................................................ 14

3.2.1. Valaminen huokoisia polymeerejä hyödyntäen ........................................ 14

3.2.2. Valaminen tilaa varaavia rakeita käyttäen ................................................ 15

3.3. Valmistus kiinteästä metallista ........................................................................... 15

3.3.1. Metallijauheiden ja -säikeiden sintraus ..................................................... 15

3.3.2. Kiinteä metalli ja tilaa varaavat rakeet ..................................................... 16

3.4. Pinnoitusmenetelmät ........................................................................................... 16

3.4.1. Sähköpinnoitus .......................................................................................... 16

3.4.2. Kaasufaasipinnoitus .................................................................................. 16

4. Huokoisten metallien käyttökohteet ........................................................................... 17

4.1. Rakenteelliset kohteet ......................................................................................... 17

4.1.1. Autoteollisuus ........................................................................................... 17

4.1.2. Lentotekniikka .......................................................................................... 18

4.1.3. Laivanrakennus ......................................................................................... 18

4.1.4. Rautatieteollisuus ...................................................................................... 18

4

4.1.5. Rakennukset ja laitteet .............................................................................. 19

4.1.6. Urheiluvälineet .......................................................................................... 19

4.1.7. Biolääketiede ............................................................................................ 20

4.2. Funktionaaliset kohteet ....................................................................................... 21

4.2.1. Katalyysi ................................................................................................... 21

4.2.2. Lämmönsiirto ............................................................................................ 21

4.2.3. Akustiikka ja äänenvaimennus ................................................................. 22

4.2.4. Elektrodit .................................................................................................. 24

4.2.5. Laakerit ..................................................................................................... 24

5. Huokoisten metallien analysointi ............................................................................... 26

5.1. Vaurioittavat analysointimenetelmät .................................................................. 26

5.1.1. Kuvausmenetelmät .................................................................................... 26

5.1.2. Mekaaninen testaus ................................................................................... 26

5.1.3. Tribologia .................................................................................................. 27

5.2. Ei-vaurioittavat analysointimenetelmät .............................................................. 27

5.2.1. Röntgensäteilyyn perustuvat menetelmät ................................................. 27

5.2.2. Akustiset mittaukset .................................................................................. 28

5.2.3. Muita tutkimusmenetelmiä ....................................................................... 29

6. Tutkimuksen tavoitteet ............................................................................................... 30

7. Kokeelliset menetelmät .............................................................................................. 32

7.1. 316L-kappaleiden valmistus ............................................................................... 32

7.2. 316L-kappaleiden liuotus ................................................................................... 34

7.3. 316L-kappaleiden sintraus .................................................................................. 36

7.4. 316L-kappaleiden analysointi ............................................................................. 36

5

8. Tulokset ja pohdinta ................................................................................................... 39

8.1. Huokoisen verkkorakenteen saavuttaminen 316L-kappaleisiin PVA:n avulla .. 39

8.1.1. Kolikkosarjan 1 valmistus ........................................................................ 39

8.1.2. Kolikkosarjan 2 valmistus ........................................................................ 42

8.1.3. Kolikkosarjan 3 valmistus ........................................................................ 43

8.1.4. Kolikkosarjan 4 valmistus ........................................................................ 45

8.1.5. Kolikkosarjojen kappaleiden analysointi .................................................. 46

8.1.6. Levymäisten kappaleiden valmistus tribologisia tutkimuksia varten ....... 47

8.2. Huokoisten 316L-kappaleiden tribologiset ominaisuudet .................................. 49

8.3. Huokoisten 316L-kappaleiden mekaaniset ominaisuudet .................................. 53

9. Johtopäätökset ............................................................................................................ 58

10. Viitteet ................................................................................................................... 60

6

Lyhenteet

AFS Aluminium Foam Sandwich

CT X-ray computed tomography, tietokonekerroskuvaus, tietokonetomografia

DPF Diesel Particulate Filter, hiukkassuodatin

GRNN general regression neural network

HDPE high-density polyethylene, suuritiheyksinen polyeteeni

ICE Intercity-Express

LDPE low-density polyethylene, pienitiheyksinen polyeteeni

LX huokoisten levymäisten 316L-kappaleiden sarja X (X=1, 2, 3, …6)

MIM Metal Injection Molding, metalliruiskuvalu

MMC Metal Matrix Composite, metallimatriisikomposiitti

NiMH nikkelimetallihydridiakku

PEG polyetyleeniglykoli

PP polypropeeni

PVA polyvinyylialkoholi

SEM Scanning Electron Microscope, pyyhkäisyelektronimikroskooppi

SLT Sprinter Light Train

SX huokoisten 316L-vetosauvojen sarja X (X= 1, 2, 3)

TLX tiiviiden levymäisten 316L-kappaleiden sarja X (X=1, 2)

TS tiiviiden 316L-vetosauvojen sarja

7

1. Johdanto

Metallit ovat olleet osa ihmiskunnan arkea ja kehitystä esihistoriallisista ajoista saakka. Jo tuhansien

vuosien ajan metalleja on käytetty muun muassa aseina, työkaluina, ruoanlaittoastioina ja kolikoina.

Metallien merkityksestä ihmisille kertoo ihmiskunnan historian kannalta tärkeiden ajanjaksojen ni-

meäminen kulloisenakin aikana ihmisten käyttöönottamien ja laajasti hyödyntämien metallien mu-

kaan, kuten pronssikausi ja rautakausi. Metallit ovatkin ihmisten sivilisaation kannalta tärkeimpiä

materiaaleja, sillä niiden käytöllä on ollut merkittävä rooli tärkeimmissä ihmiskunnan teknisissä saa-

vutuksissa, kuten maanviljelyn synnyssä sekä 1700-luvulla alkaneessa teollisessa vallankumouk-

sessa. Aikojen saatossa tapahtunut valmistustekniikoiden kehittyminen on johtanut siirtymiseen pie-

nistä käsin kannettavista metalliesineistä yhä mittavampiin, metalleja pääasiallisena raaka-aineenaan

käyttäviin rakennuksiin ja kulkuvälineisiin, kuten pilvenpiirtäjiin, laivoihin ja lentokoneisiin.1

Metallille ei ole yksiselitteistä määritelmää: metalleihin lasketaan kuuluvaksi moninainen joukko

ominaisuuksiltaan toisistaan poikkeavia alkuaineita ja seoksia. Monilla metalleilla on kuitenkin yh-

distäviä ominaisuuksia, kuten hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus sekä kiiltävyys.1

Monet luonnon materiaalit, kuten eläinten luut sekä puiden ja muiden kasvien osat, ovat huokoisia.

Elollisen luonnon materiaaleissa huokoiset rakenteet, onkalot ja kolot, ovat eliön kannalta tärkeässä

roolissa: ne keventävät rakenteita (kuten lintujen luita), tarjoavat lämmöneristystä ja toimivat ainei-

den siirrossa. Onkin luontevaa, että ihminen valmistaessaan materiaaleja ja käyttöesineitä ottaa mallia

luonnosta löytämistään materiaaleista. Kun luonnon materiaaleissa ilmeneviä huokoisuuden etuja

hyödynnetään yleisesti hyvin kiinteinä ja läpäisemättöminä pidettyihin materiaaleihin, metalleihin,

saadaan ominaisuuksiltaan mielenkiintoisia ja rakenteeltaan kestäviä metalleja, huokoisia metalleja.2

Huokoiset metallit ovat kohonneet merkittävän tieteellisen ja teollisen huomion kohteiksi 1980-lu-

vulta alkaen, yhä enemmän 2000-luvulla. Huokoiseksi metalliksi kutsutaan metallia, jonka jäykkään

metallirunkoon on tarkoituksenmukaisesti lisätty koloja ja/tai onkaloita. Onkaloiden seurausta ovat

huokoisten metallien monet erityiset ominaisuudet, joita seuraavat kappaleet valottavat ja joita voi-

daan hyödyntää erinäisissä sovelluksissa eri aloilla, kuten kemianteollisuudessa sekä ympäristö- ja

lääketieteessä.3,4

Ennen 1900-lukua huokoisten metallien valmistamiseksi oli kehitetty erilaisia tekniikoita, joita hyö-

dynnettiin lähinnä esteettisessä tarkoituksessa korujen tai muiden pintakäsittelyä vaativien esineiden

valmistuksessa. 1920-luvulla alettiin valmistaa ensimmäisiä kaupallisia huokoisia metalleja, sintrat-

tuja metallijauheita, joita hyödynnettiin, ja hyödynnetään edelleen, muun muassa paristoissa ja suo-

dattimissa. Yhdysvallat oli johtava maa huokoisten metallien tutkimuksessa 1950-luvulla, jolloin tut-

kimusta aiheen parissa tehtiin enemmän kuin muutamina seuraavina, hiljaisempina vuosikymmeninä,

kunnes 1980-luvun lopussa ja 1990-luvun alussa heräsi yhä edelleen jatkuva maailmanlaajuinen kiin-

nostus huokoisiin metalleihin tutkimuksen ja tuotekehityksen kohteena.3,4

8

2. Huokoisten metallien ominaisuudet

Huokoiset metallit, vaahtometallit ja metalliset vaahdot ovat nimityksiä, joita käytetään metalleista,

joiden rakenne sisältää huokosia, koloja tai onteloita. Usein näitä nimityksiä käytetään osittain pääl-

lekkäin toistensa synonyymeinä4, mutta täsmällisempiäkin nimeämistapoja tunnetaan. Erään määri-

telmän mukaan huokoinen metalli on yleisempi käsite metallista, jonka tilavuudesta suuri osa on huo-

koista osiota, vaahtometalli-nimitystä käytettäessä enemmänkin kuvaamaan metallia, jonka valmis-

tusprosessissa tapahtuu vaahtoutumista.3 Nimeämistavasta riippumatta huokoisten metallien luokit-

telussa käytetään usein suhteellista tiheyttä, ρ/ρs, jossa ρ on huokoisen metallin tiheys ja ρs vastaavan

ei-huokoisen metallin tiheys. Tämän yksinkertaisen suhteen avulla huokoisen metallin voidaan mää-

ritellä olevan metalli, jonka suhteellinen tiheys on alle 70 %. Kun suhteellinen tiheys on alle 30 %,

puhutaan metallisesta vaahdosta. Harvinaisemmissa materiaaleissa suhteellinen tiheys voi saavuttaa

niinkin matalan arvon kuin 0,1 %.2 Suhteellinen tiheys vaikuttaa huokoisten metallien mekaanisiin

ominaisuuksiin.5

Huokoisessa metallissa huokosten määrä, koko, muoto ja suunta vaihtelevat riippuen suurilta osin

valmistustavasta, mutta näistä ominaisuuksista riippumatta kukin huokoinen metalli voidaan luoki-

tella huokostensa perusteella jompaankumpaan kahdesta ryhmästä: suljettujen huokosten metallit tai

avointen huokosten metallit.2

Suljetut huokoset ovat koloja, jotka ovat erillään toisista huokosista, eli kukin huokonen on metalli-

materiaalista koostuvien seinämien ympäröimä ilman yhteyttä muihin huokosiin. Tämän eristäyty-

neen järjestyksen vuoksi suljettuja huokosia sisältävä metalli ei ole kaasuja ja nesteitä läpäisevää,

vaikka kukin huokonen yleensä sisältääkin kaasua. Yleensä suljettujen huokosten metallit ovat me-

kaanisilta ominaisuuksiltaan laadukkaita, ja niitä sovelletaankin käyttökohteissa, joissa kestävyys ja

lujuus ovat materiaalin ominaisvaatimuksia. Kuva 1a esittää leikkauspinnan huokoisesta alumiinista,

jonka huokoset ovat suljettuja. Kuvaan piirretyt punaiset nuolet osoittavat puuttuvien tai rikkoutunei-

den huokosseinämien sijainteja. Kuvassa näkyvä huokoinen alumiini tunnetaan kaupallisella nimellä

Alporas.2,3,6

Toisinaan huokosrakenteeltaan sekä suljettuja että avoimia huokosia muistuttavista metalleista käy-

tetään nimitystä puoliavointen huokosten metallit. Näiden metallien suljetut huokoset (kuten kuvassa

1b näkyvässä huokoisessa raudassa) ovat yhteydessä toisiinsa huokosia erottavissa seinämissä sijait-

sevien, kooltaan vaihtelevien reikien kautta. Nimitys on harvemmin käytetty, ja usein myös puolia-

voimia huokosia kutsutaan avoimiksi huokosiksi.7,8

Avoimet huokoset ovat toisiinsa yhteydessä, joten useimmiten ne läpäisevät kaasuja ja nesteitä. Lä-

päisykyky ohjaa vahvasti näiden huokoisten metallien käyttökohteita: niitä käytetään sisäisen raken-

teensa mukaisissa, toiminnallisemmissa tarkoituksissa enemmän kuin rakenteellista kestävyyttä vaa-

tivissa käyttökohteissa. Kuvan 1c vaahtomainen nikkeli on tyypillinen esimerkki erittäin huokoisesta

vaahtometallista, jonka huokoset ovat avoimia. Huokosia ympäröivät vain ohuet tukisäikeet.2,3,7

9

Monet huokoisten metallien ja vaahtometallien ominaisuudet riippuvat suuresti käytetystä metallista.

Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi korroosion ja lämpötilan vastustuskyky sekä elastisuus.

Koska huokoisia metalleja voidaan valmistaa laajasta joukosta erilaisia metalleja ja metalliseoksia ja

koska huokoisuusaste sekä huokosten koko ja rakenne vaihtelevat, huokoisten metallien tarkastelu

yhtenä materiaaliryhmänä muistuttaa yleisestikin metallien ominaisuuksien tarkastelua: yhteisiä piir-

teitä voidaan löytää, mutta kaikki huokoiset metallit eivät täytä samoja ominaispiirteitä. Yleisiä huo-

kosten olemassaolosta johtuvia huokoisten metallien ominaisuuksia ovat matala tiheys verrattuna

vastaavaan tiiviiseen metalliin, korkea pinta-ala sekä avoimia huokosia sisältävissä metalleissa (nes-

teiden ja kaasujen) läpäisevyys. Huokoisia metalleja yhdistäviä, metallisuudesta johtuvia yleisiä omi-

naisuuksia ovat esimerkiksi lämmön- ja sähkönjohtavuus.3,9

Huokoisilla metalleilla on monia hyviä ominaisuuksia verrattuna huokoisillekin metalleille käyttö-

kelpoisissa sovelluksissa yleisemmin käytettyihin polymeerisiin ja keraamisiin materiaaleihin sekä

niistä valmistettuihin vaahtoihin. Ne ovat esimerkiksi mekaanisesti paljon kestävämpiä ja jäykempiä

kuin polymeerivaahdot ja kestävät näitä paremmin myös äärilämpötiloja.3

Huokoisilla metalleilla on siis ominaisuuksia, jotka tekevät niistä erinomaisia materiaaleja niin ra-

kenteellisiin kuin funktionaalisiin sovellutuksiin. Monissa tapauksissa sama huokoinen metallimate-

riaali voi toimia käyttökohteessaan sekä funktionaalisessa että rakenteellisessa tehtävässä, ja usein

tällaisissa käyttökohteissa tapahtuva monien suotuisten ominaisuuksien hyödyntäminen on olennai-

sen tärkeää, jos huokoisella metallilla pyritään korvaamaan jokin jo laajasti käytössä oleva materi-

aali.3,4,10

a) b) c)

Kuva 1. Esimerkkikuvat huokoisten metallien laaduista, jotka eroavat toisistaan huokosten avoimuuden pe-

rusteella. a) Leikkauspinta huokoisesta alumiinista (kaupallinen nimi Alporas), jonka huokoset ovat suljettuja.

Punaiset nuolet osoittavat rikkoutuneiden tai puuttuvien huokosseinämien paikkoja6; b) Huokosiltaan puolia-

vointa rautaa7; c) Vaahtomaista nikkeliä, jonka huokoset ovat avoimia7.

10

3. Huokoisten metallien valmistusmenetelmät

Huokoisten metallien valmistamiseksi on kehitetty monia menetelmiä. Vielä tänäkin päivänä jatkuva

valmistusmenetelmien kehittäminen ja tutkimus sai alkunsa 1920-luvulla. Valmistusmenetelmät voi-

daan jaotella kahdella tavalla: valmistuvan huokoisen metallin rakenteen (avoimet tai suljetut huoko-

set) tai metallimateriaalin alkuperäisen olomuodon mukaan. Kaikki menetelmät eivät ole kaupallisen

mittakaavan käytössä. Yleisimmin käytettyjä lienevät menetelmät, joissa lähtöaineena toimiva me-

talli on nestemuodossa tai kiinteänä metallijauheena.9,10,11 Menetelmiä on lukuisia, ja samasta mene-

telmästä on olemassa muunnelmia riippuen valmistetusta metallista ja käyttötarkoituksesta. Tämä

luku sisältää katsauksen yleisimpiin valmistusmenetelmiin esitellen kuitenkin eri valmistustapoja

mahdollisimman monipuolisesti.

3.1. Sulan metallin vaahdotukseen perustuvat menetelmät

Sulan metallin vaahdottamiseksi on kehitetty kaksi menetelmätyyppiä: suora ja epäsuora vaahdotus.

Tässä osiossa esiteltävät kaasun injektioon ja vaahdotusaineen käyttöön perustuvat menetelmät edus-

tavat suoraa vaahdotusta; jauhemetallurginen menetelmä on esimerkki epäsuorasta vaahdotuksesta.9

Suora vaahdotus perustuu kaasukuplien muodostukseen sulassa metallissa. Olennainen askel näissä

menetelmissä on sulan metallin viskositeetin kohottaminen lisäämällä siihen usein jotain keraamista

ainetta, millä pyritään vähentämään tiheästä metallisesta nesteestä aiheutuvan voimakkaan nosteen

vaikutusta, joka nostaa kaasukuplat metallin pintaan aiheuttaen kuplien, ja niiden kautta lopullisten

huokosten, epätasaista jakautumista metallissa.10

Jauhemetallurgista valmistusmenetelmää kutsutaan epäsuoraksi vaahdotukseksi, sillä siinä metalli ei

ole lähtötilanteessa sulassa tilassa.10

Kaikki kolme tässä osiossa esiteltyä valmistusmenetelmää tuottavat huokosiltaan suljettuja metal-

leja.9

3.1.1. Kaasun injektio

Kaasun injektiomenetelmän, jota käytetään pääasiassa huokoisen alumiinin ja alumiiniseosten val-

mistuksessa, kehittivät 1990-luvulla norjalainen Norsk Hydro ja kanadalainen Alcan International.9

Menetelmässä sulaan metalliin tai metalliseokseen sekoitetaan noin 5-20 tilavuusprosenttia keraami-

sia partikkeleita, kuten alumiinioksidia, piikarbidia tai magnesiumoksidia, joiden tehtävänä on nostaa

sulan metallin viskositeettia ja stabiloida ja tukea myöhemmin muodostuvien huokosten seinämiä.9,10

Tähän nestemäiseen seokseen injektoidaan paineistettua kaasua (esimerkiksi ilmaa, typpeä, happea

tai hiilidioksidia)11 käyttäen värähtelevää suutinta tai pyörivää siipipyörää, jonka tehtävänä on syn-

nyttää riittävän pieniä ja tasaisesti seokseen jakautuvia kaasukuplia.10 Kuplien ja sulan metallin seos,

11

joka on metalliin sekoitetun keraamisen yhdisteen vuoksi viskoosia ja varsin vakaata, nousee neste-

mäisen metallin pintaan, josta se voidaan kerätä nestemäisenä vaahtona esimerkiksi liukuhihnaa käyt-

täen, mikä mahdollistaa jatkuvan ja runsaan tuotannon. Jäähtyessään sula metallivaahto kiinteytyy

säilyttäen huokoisen rakenteensa.9,10 Kuvassa 2 on esitetty kaasun injektiomenetelmän toimintaperi-

aate.10

Kaasun injektiomenetelmä tuottaa huokoista metallia, jonka huokoset ovat suljettuja. Menetelmällä

voidaan tuottaa alumiinivaahtoja, joiden huokoskoko vaihtelee 3 mm:stä 25 mm:iin huokoisuusasteen

asettuessa yleensä välille 80-98 %. Korkea huokoisuusaste onkin menetelmän ehdoton etu jatkuvan

vaahdontuoton synnyttämien laajamittaisten tuotantomahdollisuuksien lisäksi.10

Menetelmän eräs haittapuoli on tarve huokosia avaavalle metallilevyn katkaisulle, joka on välttämä-

tön toimenpide prosessissa, joka tuottaa jatkuvana virtana katkeamatonta metallivaahtolevyä. Toinen

menetelmään liittyvä haittapuoli on lopullisessa vaahdossa yhä mukana olevasta keraamisesta yhdis-

teestä johtuva tuotteen hauraus.10 Tämän ongelman välttämiseksi voidaan prosessissa käyttää huoko-

sia muodostavana kaasuna jotakin inerttiä kaasua, jota johdetaan puhtaaseen metalliin tai metalliseok-

seen (ilman keraamista yhdistettä). Viskositeettia nostetaan tällöin sulan metallin lämpötilaa säätele-

mällä.10,11

Menetelmällä valmistetuista tuotteista käytetään toisinaan nimitystä metallimatriisikomposiitti (Me-

tal Matrix Composite, MMC).10 Alumiinin lisäksi myös magnesiumia voidaan vaahdottaa kaasun in-

jektiomenetelmällä.12

3.1.2. Vaahdotusaine

Kaasun injektoiminen sulaan metalliin ei ole ainoa tapa tuoda kuplia metallivaahdon valmistuspro-

sessin käyttöön. Kaasun asemesta sulaan metalliin voidaan lisätä vaahdotusainetta (blowing agent),

jonka kuumudessa tapahtuva hajoaminen synnyttää kaasua, joka aiheuttaa metallin vaahtoutumisen.

Kuva 2. Huokoisten metallimateriaalien valmistamiseksi kehitetyn kaasun injektioon perustuvan tuotantome-

netelmän toimintaperiaate.10

12

Kaasun injektiomenetelmän tavoin vaahdotusainetta käyttävää vaahdotustekniikkaa käytetään pää-

asiassa huokoisen alumiinin ja alumiiniseosten valmistamiseksi.10,11

Tuotantomenetelmä, jonka kaupallisti ensimmäisenä 1980-luvun lopulla japanilainen Shinko Wire ja

jonka tuottama huokoinen alumiini tunnetaan kaupallisella nimellä Alporas, alkaa metallisen kal-

siumin lisäyksellä sulaan, 680 °C:n lämpötilassa olevaan alumiiniin. Lisätyn kalsiumin osuus on

yleensä 1,5-3,0 massaprosenttia. Seosta sekoitetaan useiden minuuttien ajan, jolloin muodostuu ok-

sideja: kalsiumoksidia (CaO) ja monokalsiumaluminaattia (CaAl2O4) sekä mahdollisesti muitakin

yhdisteitä, jotka nostavat seoksen viskositeettia. Seokseen lisätään seuraavaksi vaahdotusainetta, joka

on alumiinintuotannossa titaanihydridiä (TiH2). Yksi tekijä vaahdotusaineen valinnassa on sen ha-

joamislämpötila: metallivaahdon laadun kannalta optimaalisinta on, että vaahdotusaine hajoaa suun-

nilleen sulan metallin lämpötilassa. Hajotessaan vaahdotusaine tuottaa kaasua, titaanihydridin ta-

pauksessa vetykaasua (H2), joka jää kuplina kuuman metallisulan sisälle aiheuttaen vaahtoutumista.

Vaahto täyttää sulatusastian tai muotin, joka lopuksi jäähdytetään nopeasti, jotta metalli kiinteytyy

tasaisesti painovoiman pääsemättä vaikuttamaan tuotteen homogeenisuuteen.9,10,11 Vaahdotusaineen

käyttöön perustuva huokoisten metallien tuotantomenetelmä on esitetty kuvassa 3.10 Kuvasta näh-

dään, että juuri tässä huokoista alumiinia tuottavassa prosessissa käytetyn vaahdotusaineen, titaani-

hydridin, pitoisuus on 1,6 massaprosenttia seoksen kokonaismassasta.10

Kuten kaasua injektoimallakin, vaahdotusainetta käyttämällä tuotetaan huokosiltaan suljettuja metal-

leja9. Huokoisen alumiinin, Alporasin, huokoskoko on yleensä 2-10 mm10. Menetelmällä voidaan

tuottaa hyvinkin homogeenista metallia, etenkin kun lukuisat valmistusparametrit, kuten viskositeet-

tia parantavan ja vaahdottavan aineen määrät, eri vaiheiden lämpötilat sekä sekoitusaika, on opti-

moitu10,11. Kaupallista Alporasia on tutkittu varsin kattavasti, esimerkiksi sen ”huokossolujen” on

raportoitu olevan geometrialtaan epäsäännöllisiä, keskimäärin 14 tahkoisia monitahokkaita6.

Alumiinin lisäksi muitakin huokoisia metalleja voidaan valmistaa vaahdotusainetta käyttäen.11 Huo-

koista magnesiumia on onnistuttu valmistamaan tällä menetelmällä käyttäen vaahdotusaineena kal-

siumkarbonaattia (CaCO3), joka tuottaa magnesiumin tapauksessa rakenteeltaan paljon tasaisempia

huokosia kuin TiH2. Haittapuolena on CaCO3:n hajoamisessa muodostuva hiilimonoksidi (CO).13

Tästä syystä esimerkiksi dolomiitin (CaMg(CO3)2) käyttöä CaCO3:n asemesta on tutkittu14.

Kuva 3. Huokoisten metallien tuotantomenetelmä vaahdotusainetta käyttäen.10

13

Yleensäkin vaahdotusaineina käytetään metallihydridejä, -oksideja ja -karbonaatteja.11 Myös visko-

siteettia lisäävä aine voi vaihdella tarpeen mukaan, esimerkiksi bariumsulfaatin (BaSO4) ja wollasto-

niitin (CaSiO3) käyttöä metallisulan paksuutta lisäävänä aineena on onnistuneesti kokeiltu huokoisen

alumiiniseoksen tuottamisessa.15

3.1.3. Jauhemetallurgia

Jauhemetallurgisella menetelmällä, jota kutsutaan myös kompaktin tai tiiviin jauheen sulattamiseksi,

tuotetaan huokosiltaan suljettuja metalleja, kuten edellä mainitut kaasuinjektio- ja vaahdotusaineme-

netelmät. Jauhemetallurginen menetelmä voidaan luokitella sulaa metallia käyttäväksi menetelmäksi,

sillä vaikka menetelmän lähtöaineet ovat metallijauheita, varsinainen huokosten muodostuminen ta-

pahtuu metalliaineksen ollessa sulassa tilassa.10

Menetelmän ensimmäisessä vaiheessa jauhemaiseen metalliin tai metalliseokseen lisätään ja sekoite-

taan mahdollisimman homogeenisesti vaahdotusainetta, minkä jälkeen jauhe tiivistetään kompaktiksi

vaahdotettavaksi prekursoriksi. Tiivistämisen voi tehdä monin eri menetelmin; vaatimuksena on tiivis

ja tasainen välituote, jossa ei ole valmista huokoisuutta. Puristaminen on yleisesti käytetty tiivistys-

tapa.9,10,11

Seuraavaksi prekursorin lämpötilaa nostetaan metallijauheen sulamispisteeseen tai sen yli11, jolloin

sopivasti valittu vaahdotusaine hajoaa aiheuttaen kaasukuplien muodostumista toimien samankaltai-

sesti kuin edellä kuvatussa vaahdotusainemenetelmässä10. Kaasu pakottaa tiiviin prekursorin laajen-

tumaan muodostaen huokosia. Valmis huokoinen rakenne saavutetaan usein muutamissa minuuteissa

riippuen prekursorin koosta.10 Kuva 4 esittää jauhemetallurgisen valmistusmenetelmän huokoiselle

alumiinille16, joka on seoksineen tälläkin menetelmällä yleisimmin tuotettu huokoinen metalli10. Ku-

ten vaahdotusainemenetelmässä, tässäkin prosessissa vaahdotuksen aiheuttavana aineena käytetään

titaanihydridiä.16

Vaikka huokoiset alumiini ja alumiiniseokset ovatkin eniten valmistettuja metalleja tällä menetel-

mällä, myös muita metalleja voidaan käyttää raaka-aineina. Näitä ovat muun muassa sinkki, kulta,

lyijy, messinki ja tina. Jauhemetallurginen menetelmä on myös yksi yleisimmistä huokoisen teräksen

Kuva 4. Huokoisen alumiinin tuotanto jauhemetallurgisella menetelmällä.16

14

valmistusmenetelmistä. Eräs menetelmän merkittävä etu monikäyttöisyyden lisäksi on mahdollisuus

valmistaa huokoista metallia erilaisiin muotoihin valitsemalla halutunlaisen muotin, jossa prekursorin

vaahtoutuminen tapahtuu.10,17

Eräs tärkeä jauhemetallurgisella menetelmällä valmistettu tuote on AFS (Aluminium Foam

Sandwich), jossa kahden tiiviin metallilevyn välissä on huokoista alumiinia kokonaisuuden muistut-

taessa ulkonäöltään ja rakenteeltaan kerrosvoileipää.9,10

3.2. Valamismenetelmät

3.2.1. Valaminen huokoisia polymeerejä hyödyntäen

Sulan metallin vaahtoutuminen on tärkeä vaihe kaikissa edellä esitellyissä huokoisten metallien val-

mistusmenetelmissä. Sula metalli voidaan kuitenkin muuntaa huokoiseen muotoon ilman vaahdo-

tusta, jolloin yksi käyttökelpoinen menetelmä on käyttää huokoisia polymeerejä valamisen malleina.

Menetelmä tuottaa huokosiltaan avoimia metalleja; toinen ero edellä kuvattuihin menetelmiin.9,10

Monivaiheisen menetelmän aluksi polymeerivaahdon avoimet huokoset täytetään esimerkiksi feno-

lihartsin, kalsiumkarbonaatin ja mulliitin lietemäisellä seoksella, tai jollakin muulla aineella, jonka

lämmönkestävyys on prosessin eri vaiheet huomioiden riittävää. Kun tämä täyteaine on riittävän kui-

vaa ja kestävää, alkuperäinen polymeeri poistetaan lämpökäsittelyllä, minkä jälkeen polymeerin jät-

tämät tilat täytetään valamalla niihin metallia. Viimeisenä vaiheena kiinteytyneen metallin huokosista

poistetaan täyteaine, jolloin saadaan lopullinen huokoinen metalli, joka vastaa tarkalleen alkuperäistä

polymeerivaahtoa.9,10

Menetelmän merkittävin etu on huokosten homogeeninen jakautuminen ja tasalaatuinen huokoskoko.

Nämä ovat osittain seurausta tutkimus- ja tuotekehitystyöstä huokoisten polymeerien parissa. Huo-

koisia polymeerejä on valmistettu huokoisia metalleja kauemmin, joten niiden valmistuksessa käyte-

tyt menetelmät ovat hyvin tunnettuja ja osittain siirrettävissä huokoisten metallien valmistukseen.

Menetelmän nykyistä laajempaa hyödyntämistä jarruttavat kuitenkin haittapuolet: monivaiheinen, hi-

daskin valmistus, kooltaan paikoin hyvin pienien polymeerien jättämien tilojen metallilla täyttämisen

hankaluus ja varovaisuus, jota on noudatettava täyteaineen poistossa rakenteen eheyden turvaa-

miseksi.9,10

Menetelmällä valmistettujen metallien huokoisuusaste on yleensä 80-97 %. Huokoiset alumiinit ja

alumiiniseokset ovat tämänkin menetelmän tärkeimpiä lopputuotteita, mutta myös huokoista magne-

siumia ja kuparia voidaan valmistaa.9,10

15

3.2.2. Valaminen tilaa varaavia rakeita käyttäen

Huokoisten metallien valmistusmenetelmä, jossa käytetään tilaa varaavia (place holder, space holder)

rakeita muistuttaa edellä kuvattua huokoisia polymeerejä hyödyntävää valamismenetelmää, mutta on

yksinkertaisempi. Prosessi tuottaa metalleja, joiden huokoset ovat avoimia.9,10

Tyypillisesti haluttu muotti täytetään orgaanisilla tai epäorgaanisilla rakeilla, joita yleensä lämmite-

tään sulan metallin liian varhaisen jäähtymisen estämiseksi. Muottiin valetaan sulaa metallia, joka

ympäröi rakeet, joiden täytyy näin ollen kestää sulan metallin lämpötila hajoamatta. Rakeiden paikat

edustavat valmiissa metallissa huokosia; rakeet poistetaan kiinteytyneestä metallista esimerkiksi

huuhtomalla sopivalla hapolla tai liuottimella. Joissakin tapauksessa, etenkin jos rakeet ovat keveitä

ja onttoja, ne voidaan jättää osaksi metallirakennetta.9,10

Esimerkiksi alumiinista, sinkistä, tinasta ja magnesiumista voidaan tehdä huokoista tilaa varaavia ra-

keita hyödyntäen. On ilmeistä, että huokosten koko ja muoto riippuvat täysin käytetyistä rakeista,

joita voidaan valmistaa esimerkiksi suoloista, savesta, hiekasta, lasista tai jostakin polymeeristä. Ra-

keita käyttämällä saavutetaan helposti ja kontrolloidusti tasainen huokoskoko. Tämän edun kääntö-

puolena on huokoisuusaste, joka yltää korkeimmillaan noin 80 %:iin ollen varsin alhainen verrattuna

moniin muihin valmistusmenetelmiin.10

3.3. Valmistus kiinteästä metallista

Tässä osiossa esiteltävissä menetelmissä huokoisia metalleja valmistetaan kiinteästä metallijauheesta

ilman, että metalli on missään vaiheessa sulassa tilassa. Sen sijaan metallia käsitellään kiinteässä ti-

lassa, ja usein käytetään sintrausta lopullisen lujan rakenteen tuottamiseksi. Metallijauheesta valmis-

tetut huokoiset metallit ovat huokosiltaan avoimia materiaalin koostuessa pallomaisista rakenne-

osasista.10

3.3.1. Metallijauheiden ja -säikeiden sintraus

Metallijauheiden tai -säikeiden sintraaminen on yksinkertaisin tapa valmistaa huokoista metallia. Esi-

merkiksi pronssi ja teräs ovat käyttökelpoisia metalleja huokoisuusasteen vaihdellessa välillä 20-80

%. Valmistuksessa voi olla useampia vaiheita, kuten jauheen valmistelua ja tiivistämistä ja lopulta

sintrausta. Yleensä vaiheet ovatkin hyvin yksinkertaisia. Huokoisen alumiinin valmistaminen suoraan

sintraamalla alumiinijauheesta ei onnistu helposti, sillä alumiinin pinnassa on usein sintrausta häirit-

sevä oksidikerros. Ongelman kiertämiseksi on erinäisiä menetelmiä, mutta huokoisen alumiinin val-

mistamiseksi on kuitenkin myös olemassa monia muita valmistustapoja, kuten edellisistä kappaleista

käy ilmi.10

16

3.3.2. Kiinteä metalli ja tilaa varaavat rakeet

Tilaa varaavia rakeita voidaan käyttää myös jauhemaisen metalliaineksen kanssa. Joitakin yhteneväi-

syyksiä osiossa 3.2.2. kuvatun prosessin kanssa löytyy. Tilaa varaavat rakeet (jotka voivat olla esi-

merkiksi keraamisia materiaaleja, polymeerejä tai suoloja) ja metallijauhe sekoitetaan keskenään joko

sellaisenaan tai tarpeen tullen liuotinta tai orgaanista sideainetta käyttäen. Seos tiivistetään huoneen-

lämpötilassa esimerkiksi puristamalla, joka voidaan tehdä myös korkeammassa lämpötilassa, jos ra-

keet kestävät korkeita lämpötiloja. Muodostuneesta komposiittirakenteesta voidaan poistaa tilaa va-

raavat partikkelit käyttäen liuotinta, huuhtoen tai lämpökäsittelyllä, ja lopuksi metallikappale voidaan

sintrata tiheyden nostamiseksi.10

3.4. Pinnoitusmenetelmät

3.4.1. Sähköpinnoitus

Sähköpinnoitus (Electro-deposition) muistuttaa hieman osiossa 3.2.1. esiteltyä valmistusmenetelmää,

jossa huokoiset polymeerit toimivat huokoisen metallirakenteen mallina ja jossa polymeerit poiste-

taan lopuksi metallirakenteesta. Tämä sama periaate on käytössä sähköpinnoituksessa. Huokoista po-

lymeeriä, jonka täytyy olla ainakin hieman sähköä johtavaa, pinnoitetaan sähköisesti elektrolyytissä

olevilla metalli-ioneilla. Jos polymeeri ei johda sähköä, se voidaan tehdä sähköä johtavaksi erinäisin

menetelmin. Metallilla pinnoituksen jälkeen polymeeri voidaan poistaa lämpökäsittelyllä.10

Menetelmällä valmistetaan huokoista nikkeliä, nikkelin ja kromin seosta sekä myös vähäisemmissä

määrin kuparia. Valmiin metallin huokoisuusaste on jopa 92-95 %, ja huokoinen rakenne on avoin ja

verkkomainen, jossa huokosia ympäröivät metallisäikeet voivat olla onttoja.10

3.4.2. Kaasufaasipinnoitus

Huokoisten metallien valmistuksessa kaasufaasipinnoitus on monin tavoin samankaltainen mene-

telmä kuin sähköpinnoitus. Kylmä huokoinen polymeeri asetetaan alipainekammioon, jonne tuote-

taan metallihöyryä, joka tiivistyy polymeerin pintaan. Metallipinnoituksen paksuus riippuu pinnoi-

tusajasta sekä metallikaasun tiheydestä. Kun metalli on täysin kiinteytynyt, mallina toiminut poly-

meeri poistetaan yleensä lämpökäsittelyllä, ja näin valmistettu metalli on kopio alkuperäisestä poly-

meerivaahdosta.10

Sähköpinnoituksen tavoin kaasufaasipinnoituksella valmistetaan pääasiassa huokoista nikkeliä.

Myös kaasufaasipinnoitus tuottaa hyvin huokoisia (huokoisuusaste n. 95 %), verkkomaisia metal-

leja.10

17

4. Huokoisten metallien käyttökohteet

Huokoisille metalleille on monia eri käyttökohteita ja -tarkoituksia, jotka voidaan karkeasti jakaa

rakenteellisiin ja funktionaalisiin kohteisiin. Rakennusmateriaalina, esimerkiksi autojen, laivojen tai

rakennusten osina, huokoisten metallien täytyy olla huokosiltaan suljettuja riittävän mekaanisen kes-

tävyyden takaamiseksi. Huokosiltaan avoimet tai ainakin osittain avoimet metallit ovat omiaan funk-

tionaalisissa tehtävissä, kuten suodatuksessa, nesteiden siirrossa tai äänenvaimennuksessa, sillä ne

läpäisevät kaasuja ja nesteitä.10

Koska huokoisia metalleja on monenlaisia, käyttökohteen ratkaisee kunkin sovelluksen edellyttämät

ominaisuudet. Edellä mainitun huokoisuustyypin lisäksi eri käyttökohteiden kannalta tärkeitä omi-

naisuuksia voivat olla muun muassa huokoisuusaste ja siihen liittyen kokonaispinta-ala, huokosten

koko ja mistä metallista huokoinen metalli on valmistettu. Esimerkiksi huokoista alumiinia käytetään

paljon rakennusaineena, koska se on kestävää ja kevyttä. Keveys onkin tärkeä ominaisuus rakenteel-

listen sovellusten kannalta, koska ilman sitä huokoisen metallin käytöllä ei välttämättä olisi mitään

etua tavallisen, kiinteä metallin käyttöön verrattuna, etenkin kun tavallisen metallin valmistus on

edullisempaa. Hinta ja mahdollisuus laajamittaiseen valmistukseen ovat myös merkittäviä näkökohtia

käyttökohdetta ja siihen sopivaa huokoista metallia valittaessa.10

Yleensä huokoisilla metalleilla on parhaat mahdollisuudet menestyä sovelluksissa, jotka hyödyntävät

useampia niiden erityisominaisuuksista. Esimerkiksi keveys yhdistettynä hyvään energian ab-

sorptiokykyyn tekee huokoisesta metallista erittäin käyttökelpoisen rakennusmateriaalin erityiskoh-

teissa. Toisaalta jos keveys on ainoa vaatimus käytetylle rakennusaineelle, löytyy käyttötarkoitukseen

todennäköisesti jokin halvempi vaihtoehto, sillä muita huokoisia rakennusmateriaaleja on tutkittu pal-

jon huokoisia metalleja kauemmin.10

4.1. Rakenteelliset kohteet

4.1.1. Autoteollisuus

Autoteollisuus voi hyödyntää huokoisia metalleja pääasiallisesti kolmessa tehtävässä: kevyenä raken-

nemateriaalina, äänieristeenä sekä törmäysenergian absorboijana. Käyttökelpoinen materiaali autote-

ollisuudelle on huokoinen alumiini. Autojen turvallisuus vaatii jatkuvaa kehitystä, jonka seurauksena

autojen paino uhkaa nousta liian korkeaksi, jos uusia kevyempiä materiaaleja ei hyödynnetä, varsin-

kin kun otetaan huomioon nykyajan vaatimukset matalasta polttoaineen kulutuksesta. Huokoiset me-

tallit ovat massaansa nähden jäykkiä ja kestäviä ja ne absorboivat erinomaisesti energiaa, jopa pa-

remmin voileipämäisenä rakenteena, jossa huokoista metallia on kahden tiiviimmän metallikerroksen

välissä, jolloin korroosion kestokin on parempi. Nämä ominaisuudet tekevät huokoisista metalleista

hyvän vaihtoehdon autoteollisuuden rakennusaineeksi, vaikkakaan niiden hyödyntäminen ei vielä ole

kovinkaan runsasta.9,10

18

Muita autoteollisuuden käyttökohteita huokoisille metalleille ovat äänieristerakenteet sekä pakokaa-

sukatalysaattorit, joita molempia on käsitelty funktionaalisten käyttökohteiden osiossa 4.2.

4.1.2. Lentotekniikka

Lentokoneet ja esimerkiksi avaruussatelliitit voivat hyötyä huokoisista metalleista kevyenä ja kestä-

vänä rakennusmateriaalina10. Esimerkiksi kerrosrakenteeltaan voileipämäisten AFS-alumiinien käyt-

tämistä lentokoneissa suojaavana rakenteena lintujen törmäysten varalta on tutkittu9. Avaruuden

käyttökohteissa, esimerkiksi avaruusasemilla tai satelliiteissa, erityisen arvokasta voi olla huokoisten

metallien mekaanisten ominaisuuksien isotrooppisuus, eli ominaisuuksien riippumattomuus suun-

nasta, mikä on tärkeää suojauduttaessa pieniltä avaruuden kappaleilta, joiden lähestymissuunta ei ole

tiedossa. Lentokoneet ja avaruusalukset hyödyntävät nykyään kallista, rakenteeltaan hunajaken-

nomaista alumiinia. Huokoinen alumiini voi tulevaisuudessa osoittautua halvemmaksi ja monin ta-

voin paremmaksi rakennusmateriaaliksi lentoteknisissä sovelluksissa.10

4.1.3. Laivanrakennus

Laivanrakennus on yksi mahdollinen huokoisia metalleja hyödyntävä teollisuudenala. Edullinen omi-

naisuus laivojen hyödynnettäväksi on pääasiassa huokoisten metallien keveys. Monenlaisia alumii-

niosia käytetään jo laivoissa, ja huokoiset AFS-tyyppiset metallit voivat osoittautua käyttökelpoisiksi

rakennusmateriaaleiksi.9,10,18

4.1.4. Rautatieteollisuus

Rautatieteollisuus – junat, metrot ja raitiovaunut huomioiden – pystyy hyödyntämään huokoisia me-

talleja vastaavissa sovelluksissa kuin autoteollisuus (kevyt rakennusmateriaali, törmäysenergian ab-

sorbointi ja äänenvaimennus), tosin rakennettavien osien kokoluokka on suurempi kuin autoteolli-

suudessa.10 Monella alalla huokoisten metallien hyödyntäminen on suurimmaksi osaksi vielä proto-

tyyppivaiheessa, ja vaikka tämä tilanne vallitsee rautatieteollisuudessakin, huokoisia metalleja käy-

tetään kuitenkin jo joissakin junissa ympäri maailmaa.9,10

Alporas-tyyppistä huokoista alumiinia käytetään japanilaisissa junissa törmäysenergian absorboin-

tiin10, ja Pekingin metrovaunujen lattioissa käytetään AFS-tyyppistä alumiinia9. Saksassa Intercity-

Express (ICE) junien keularakenteesta on valmistettu yhteen hitsatuista AFS-paneeleista koostuva

prototyyppi, joka on 18 prosenttia kevyempi kuin nykykäytössä oleva vastaava keularakenne. Myös

esimerkiksi Unkarin Budapestin raitiovaunuissa sekä Alankomaiden Sprinter Light Train (SLT) -ju-

nissa käytetään huokoista alumiinia energian absorboijana törmäysten varalta.9

19

4.1.5. Rakennukset ja laitteet

Huokoisten metallien käyttö rakennuksissa on enemmän esteettistä kuin rakenteellista, sillä kestävyys

on rakennuksille yleensä ylivoimaisesti keveyttä tärkeämpi ominaisuus, minkä vuoksi esimerkiksi

betoni ja tavanomaiset tiiviit metallit ovat huokoisia metalleja paljon käyttökelpoisempia ja edulli-

sempia rakennusmateriaaleja. Esimerkiksi betonirakennuksia voidaan kuitenkin päällystää huokoi-

silla metalleilla esteettisemmän ja omalaatuisemman ulkonäön saavuttamiseksi. Huokosiltaan suljetut

metallit tarjoavat kuplamaisen pinnan, ja avointen huokosten metallit ovat läpikuultavia. Esimerkiksi

kanadalainen Cymat on tuottanut useiden suurten eurooppalaisten rakennusten päällystämiseen käy-

tettyä huokoista alumiinia.9 Eräs tällainen rakennus on Espanjan Kataloniassa sijaitseva Terrassan

kaupungin protestanttinen kirkko, joka on esitetty kuvassa 5.9 Kuvan 5 oikeassa alakulmassa näkyy

lähemmin kirkon ulkoseinän huokoista alumiinia oleva pintarakenne. Seinäpinta-alaltaan suurten ra-

kennusten julkisivujen päällystykset ovat huokoisia metalleja valmistaville yrityksille tuottoisia pro-

jekteja.9

Huokoisia metalleja voidaan myös hyödyntää lukuisissa laitteissa, jotka eivät välttämättä lukeudu

mihinkään edellä esiteltyyn teollisuudenhaaraan. Usein AFS-alumiinipaneeleja käytetään kevyttä ja

kestävää tukikehikkoa vaativissa laitteissa kuten aurinkopaneeleissa. Myös joissakin teollisuusko-

neissa, mm. poraus-, jauhamis- ja painatuslaitteissa, käytetään huokoisia metalleja.9

4.1.6. Urheiluvälineet

Vaikka monissakaan urheiluvälineissä ei ainakaan toistaiseksi käytetä materiaalina huokoisia metal-

leja, on urheiluvälineiden valmistus maininnan arvoinen ala tässä yhteydessä, sillä etenkin ammat-

tiurheilijoille tarkoitetuissa välineissä kustannussyyt eivät rajoita teknisten innovaatioiden syntyä. Ja-

panilainen Ryobi Corporation alkoi vuonna 2002 valmistaa golf-puttereita, joiden keskiosa on huo-

koisuusasteeltaan 40 prosenttista kuparia. Muita mahdollisia käyttökohteita voisivat olla suojavarus-

teet, kuten kypärät tai säärisuojat, mutta tiettävästi kaupallisia tuotteita ei ole vielä tarjolla.2,9

Kuva 5. Huokoisella alumiinilla päällystetty Terrassan protestanttinen kirkko Kataloniassa Espanjassa.9

20

4.1.7. Biolääketiede

Yksi merkittävimmistä huokoisten metallien sovellusaloista nykyään ja todennäköisesti yhä enem-

män tulevaisuudessa on biolääketiede.3,9 Huokoisista metalleista voidaan valmistaa esimerkiksi luu-

ja hammasimplantteja sekä tekoniveliä. Koska biolääketieteen hyödyntämänä huokoisesta metallista

valmistetut proteesit ja implantit ovat jatkuvassa yhteydessä ihmiskehon monimutkaisiin biologisiin

järjestelmiin, ovat niiden funktionaaliset ominaisuudet yhtä lailla merkittäviä kuin rakenteelliset omi-

naisuudet, minkä vuoksi biolääketieteelliset sovellukset voitaisiin luokitella myös funktionaalisiin

käyttökohteisiin.

Väestön ikääntyminen ja syöpien yleistyminen sekä erilaiset onnettomuudet ovat syitä kohonneelle

ortopedisten implanttien tarpeelle. Jo 1920-luvulla alettiin valmistaa ja käyttää metallisia implantteja,

ja niiden lisäksi ortopedisissä sovelluksissa käytetään yhä edelleen keraamisia, polymeerisiä ja kom-

posiittirakenteisia implantteja. Elävä luu on rakenteeltaan ja toiminnaltaan monimutkainen verrattuna

keinotekoisiin implantteihin, joilla kullakin on omat rajoituksensa. Esimerkiksi keraamiset kappaleet

kestävät hyvin korroosiota mutta ovat liian hauraita laajalti implantteina hyödynnettäviksi. Saman-

kaltaisia mekaaniseen kestävyyteen liittyviä ongelmia on polymeerisillä implanteilla.19

Metallit ovat hyviä materiaaleja biolääketieteen kannalta, koska ne kestävät erittäin hyvin kulutusta

eivätkä murru helposti.20 Jotkin metallit, kuten titaani, ovat myös erittäin bioyhteensopivia ihmiske-

hon kanssa, eli ne eivät yleensä aiheuta haitallisia reaktioita elimistössä tai hajoa helposti kehossa

vapauttaen haitallisia aineita.21 Eräs metalli-implanttien ongelma, joka toisaalta edistää huokoisten

metallien hyödyntämistä, on luun ja metallin välillä vallitseva suuri ero materiaalin jäykkyyttä mit-

taavan kimmokertoimen (Youngin moduuli) suhteen.20 Luun kimmokerroin on noin 4-30 GPa

(gigapascal), kun tiiviiden metallien kimmokerroin on paljon korkeampi: 55-110 GPa titaanille ja sen

seoksille, 210 GPa ruostumattomalle teräkselle ja peräti 230 GPa Cr-Co-seoksille.21 Tämä ero kim-

mokertoimissa alentaa luun kokemaa rasitusta haurastuttaen luuta, mikä voi lopulta johtaa implantin

löystymiseen tai muihin ongelmiin.20

Huokoisten metallien kimmokerroin on tiiviitä metalleja alhaisempi, joten tämä ominaisuus tekee

niistä parempia ja pitkäikäisempiä materiaaleja ortopedisiksi implanteiksi. Kääntöpuolena niiden me-

kaaninen kestävyys ei ole yhtä korkea kuin tiiviillä metalleilla, ja lisäksi huokoisuudesta aiheutuvan

korkean pinta-alan takia niiden korroosion kesto on matalampi.20 Toisaalta huokoinen rakenne pa-

rantaa metallien kiinnittyvyyttä kudoksiin sekä kehon aineiden liikkuvuutta.19 Lisäksi huokoisten me-

tallien ominaisuuksia voidaan muokata halutunlaisiksi säätelemällä huokoskokoa ja -jakaumaa sekä

huokoisuusastetta.20

Edellä on esitelty ominaisuuksia (hyvä bioyhteensopivuus, muita metalleja matalampi kimmokerroin

sekä myös hyvä korroosion kesto) joiden vuoksi titaani ja sen seokset ovat yleisimmin käytettyjä

metalleja ortopedisissä sovelluksissa.22 Muita käytettyjä huokoisia metalleja ovat ruostumaton teräs

(316L-laji), Co-Cr-seos, magnesium sekä Ni-Ti-seos.20

21

4.2. Funktionaaliset kohteet

4.2.1. Katalyysi

Katalyytin optimaalisen toiminnan kannalta tärkeää on korkea reaktiopinta-ala katalyytin ja kataly-

soitavan aineen välillä. Heterogeenisessa katalyysissä, jossa katalyytti on eri faasissa kuin katalysoi-

tava aine, katalyytti vaatii usein käytännön sovelluksissa kantajamateriaalin, jonka pintaan katalyytti

kiinnitetään muun muassa reaktiopinta-alan kasvattamiseksi.10 Perinteisesti katalyytinkantajina on

käytetty keraamisia materiaaleja, mutta niiden matala mekaaninen kestävyys ja lämmönjohtavuus

ovat johtaneet tuotekehittelyä ja tutkimusta kohti uusia käyttökelpoisia materiaaleja, joista huokoiset

metallit ovat yksi materiaalityyppi.23

Kirjallisuudesta löytyvä tutkimus huokoisten metallien käytöstä katalyytin tukirakenteena painottuu

vaahtomaisiin metalleihin, joiden rakenne on verkkomaista ja huokoset suuria niitä ympäröivien ”me-

tallisäikeiden” ollessa ohuita huokosten kokoon nähden. Tällaisten huokoisten metallien keveys, kes-

tävyys sekä lämmönjohtavuus ovat houkuttelevia ominaisuuksia katalyysin kannalta. Vaikka huo-

koisten metallien pinta-ala on korkea, keraamisten katalyyttitukien pinta-ala voi olla vieläkin korke-

ampi, minkä vuoksi metallivaahto päällystetään usein erillisellä pintakerrosmateriaalilla (washcoat),

esimerkiksi alumiinioksidilla (Al2O3), piidioksidilla (SiO2) tai jollakin zeoliitilla, aktiivisen pinta-

alan kasvattamiseksi. Pinnoitusmateriaalin ja siihen kiinnittyvän varsinaisen katalyytin kiinnittämi-

nen ja irtoamisen estäminen kulutuksessa voivat aiheuttaa ongelmia huokoisia metalleja käytettäessä,

mikä hidastaa näiden metallien käyttöönottoa käytännön sovelluksissa. Metallimateriaalin esikäsit-

tely esimerkiksi hapettamalla on keino parantaa pintakerroksen kiinnittymistä.23,24,25,26

Sekä puhtaat huokoiset metallit että huokoiset metalliseokset ovat käyttökelpoisia materiaaleja kata-

lyytinkantajina.26 Esimerkiksi γ-Al2O3:lla päällystetyn Fe-Cr-Al-metalliseoksen on havaittu kestävän

erinomaisesti kuumuutta ja mekaanista kulutusta, mikä mahdollistaa sopivalla katalyytillä vuorattuna

materiaalin käytön voimalaitosten tai autojen kaltaisissa vaativien olosuhteiden sovelluksissa.23

Huokoisia metalleja käytetään jo nykyään katalyyttisissä sovelluksissa. Esimerkiksi globaali, toimi-

pisteitä Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa omistava eteläkorealainen Alantum valmistaa huokoista

nikkelivaahtoa (puhdasta nikkeliä ja nikkeliseoksia) käytettäväksi dieseliä polttoaineenaan hyödyn-

tävien ajoneuvojen pakokaasuja puhdistavissa hiukkassuodattimissa (DPF, diesel particulate filter).

Alantumin vuosittain valmistamaa noin 500 tonnia (2014) huokoista nikkeliä ja huokoisia nikkelise-

oksia käytetään hiukkassuodattimien lisäksi myös kemianteollisuudessa katalyytinkantajana.27,28

Myös muutamat muut valmistajat tuottavat huokoisia metalleja katalyyttisiin sovelluksiin.9

4.2.2. Lämmönsiirto

Huokoiset metallit, joiden huokoset ovat avoimia, ovat käyttökelpoisia lämmönsiirtimiä. Kaasuja tai

nesteitä voidaan johtaa kulkemaan huokoisen metallin läpi, ja tämän metallin lämpötilaa nostamalla

tai laskemalla sen läpi virtaavan nesteen tai kaasun lämpötilaa voidaan muuttaa. Käyttökelpoisia ovat

22

metallit, joilla on korkea lämmönjohtavuus, esimerkiksi kupari ja alumiini. Korkea lämmönjohtavuus

yhdistettynä matalaan virtauksen vastustukseen on tavoiteltu ominaisuusyhdistelmä, jota ei ole help-

poa saavuttaa käytännössä.10 Huokoisten metallien korkea pinta-ala ja verkkomainen sisärakenne

mahdollistavat virtaavan aineen pyörteisen liikkeen ja siitä seuraavan paremman lämmönjohtumisen

metallin ja virtaavan aineen välillä.29 Huokosten koko ja huokoisuusaste sekä esimerkiksi pinnan

karkeus ja huokosia erottavien seinämien koko ja paksuus ovat tekijöitä joilla on vaikutusta lämmön

johtumisen voimakkuuteen metallin ja virtaavan aineen välillä.3,30

Huokoista alumiinia ja kuparia käytetään esimerkiksi lämmönsiirtimissä, lämpöradiaattoreissa ja

lämpöputkissa.7 Korkea pinta-ala ja hyvä lämmönjohtavuus tekevät niistä myös erinomaisia materi-

aaleja passiivisen jäähdyttämisen tarpeisiin. Pienikokoisia, huokoisia metallikappaleita voidaan käyt-

tää esimerkiksi tietokoneiden ja mikroelektronisten osien jäähdyttämiseksi.9,10

4.2.3. Akustiikka ja äänenvaimennus

Melusaasteen vähentämisellä on suurta sosiaalista merkitystä, minkä vuoksi äänenvaimennus on hy-

vin tärkeää, ja sitä tarvitaan esimerkiksi konserttisaleissa, autoissa, laivoissa ja muissa kulkuneu-

voissa sekä etenkin asutuksen läheisyydessä sijaitsevien rauta- ja moottoriteiden yhteydessä. Äänen-

vaimennuksessa käytetään monenlaisia materiaaleja. Orgaanisten materiaalien, kuten puun ja puuvil-

lan, käyttöä äänenvaimennuksessa rajoittaa niiden kestämättömyys mm. korroosiota ja palamista koh-

taan, vaikka ne vaimentavatkin keski- ja korkeataajuuksista ääntä. Epäorgaanisista materiaaleista,

kuten lasista, muovista ja keraamisista aineista, voidaan valmistaa huokoisia vaahtomaisia kappaleita

äänenvaimennussovelluksiin. Kullakin näistä materiaaleista on omat kestävyyteen liittyvät heikkou-

tensa, jotka rajoittavat niiden laajamittaista hyödyntämistä äänenvaimennuksessa: keraamiset mate-

riaalit ovat painavia ja vaikeasti muokattavia, muovit heikkenevät ajan myötä eivätkä ne kestä tulta

ja lasirakenteet ovat mekaanisesti heikkoja.7 Huokoisissa metalleissa yhdistyvät monet kestävyyden

kannalta oleelliset ominaisuudet: korroosion ja kulutuksen kesto sekä keveys, eivätkä ne hajoa hel-

posti tulen tai kemikaalien vaikutuksesta.12 Lisäksi ne ovat helposti kierrätettävissä ja ne voivat toimia

myös värähdysten ja tärinän vaimentajina.31

Äänieristämisen kannalta huokoiset metallit häviävät monille materiaaleille, kuten yleisimmin käy-

tetylle äänieristeelle, huokoiselle lasivillakuidulle ja myös esimerkiksi huovalle äänieristämisen kan-

nalta ominaisuuksista oleellisimmassa: äänienergian absorboinnissa.7,12 Äänen absorptiossa materi-

aaliin saapuva ääniaalto ei heijastu materiaalin pinnasta tai siirry materiaalin sisään, vaan sen energia

absorboituu materiaaliin.12 Käytännössä huokoiseen materiaaliin tuleva ääniaalto heijastuu osittain

materiaalista, ja materiaalin sisään pääsevästä aallosta osa siirtyy materiaalissa ja vain osa absorboi-

tuu. Materiaalin sisään siirtynyt ääniaalto heikkenee lukuisten heijastumien kautta, ja tämä vaimen-

tuminen on tehokasta, jos materiaalin huokoset ovat avoimia ja yhteydessä toisiinsa. Tämän vuoksi

vain huokosiltaan avoimet metallit ovat käyttökelpoisia äänenvaimentimia. Myös suljettujen huokos-

ten metallivaahtoja voidaan käyttää, jos materiaalin pinnan huokoset on avattu, mutta tässäkin ta-

pauksessa äänenvaimennusteho jää heikoksi huokosia yhdistävien kanavien puutteen vuoksi.9,10 Tut-

23

kimuksissa on havaittu, että mitä pienempi huokoisen materiaalin huokosten läpimitta on, sitä tehok-

kaammin se absorboi äänienergiaa. Toisaalta huokoskoon ollessa alle 0,1 mm äänen absorptio on

heikkoa, koska suurin osa ääniaallosta heijastuu materiaalista päätymättä materiaalin sisälle.32

Kuvassa 6 on esitetty äänen absorptiokerroin taajuuden funktiona erilaisille huokoisille materiaa-

leille. Äänen absorptiokerroin kuvaa materiaalin pintaan osuvan tasomaisen ääniaallon absorboituvaa

osuutta. Esimerkiksi absorptiokertoimen ollessa 0,8 äänienergiasta absorboituu 80 %. Kuvassa 6a

lasivillan absorptiokerroin kohoaa taajuuden noustessa yli 0,9:n, jota voi pitää tehokkaan äänen-

vaimennuksen rajana. Lasivilla on erinomainen äänenvaimennin äänen taajuuden ollessa yli 1000 Hz.

Kuvissa 6b ja 6c on syytä huomioida taajuusalue, joka ulottuu suurempiin lukemiin kuin kuvassa

6a.12

Kuva 6b esittää absorptiokertoimen käsittelemättömälle huokoiselle Alporas-alumiinille (jonka val-

mistusmenetelmä ja ominaisuuksia on esitelty osiossa 3.1.2), jonka huokoset ovat suljettuja. Ab-

sorptiokerroin saavuttaa korkeimman arvonsa (noin 0,85) taajuudella 1800 Hz, ja muilla taajuuksilla

absorptio on paljon heikompaa. Absorptio on merkittävästi heikompaa kuin lasivillan tapauksessa.

Kun Alporas-alumiinia puristetaan 10 % alkuperäisistä mitoista ja mitataan äänen absorptiota, saa-

daan kuva 6c.12

Puristuksessa osa huokosten seinämistä hajoaa, mikä parantaa äänienergian absorptiota äänen vai-

mentuessa tehokkaammin sen päästessä siirtymään materiaalin sisällä. Absorptiokerroin nousee kor-

keimmillaan jopa yli 0,9:n, ja pysyy korkeana selvästi käsittelemätöntä Alporasia laajemmalla taa-

juusalueella. Silti se ei ole lasivillan veroinen äänienergian absorboija.12

Alporas-tyyppistä huokoista alumiinia käytetään Japanissa mm. metrotunneleissa ja korotettujen

moottoriteiden alapuolella liikenteen ääniä vaimentamassa. Eteläkorealainen Foamtech on kehittänyt

Alporasin pohjalta materiaaleja, joita hyödynnetään äänenvaimentimena metrotunnelien ja rautatei-

den lisäksi esimerkiksi konserttisaleissa, urheilukeskuksissa sekä auditorioissa. Huokosiltaan avoi-

a) b) c)

Kuva 6. Äänen absorptiokerroin taajuuden (Hz) funktiona erilaisissa huokoisissa materiaaleissa. a) lasivilla;

b) huokoinen Alporas-alumiini; c) puristettu huokoinen Alporas-alumiini.12

24

mien metallien äänenvaimennusteho on suljettujen huokosten metalleja parempi, ja esimerkiksi Alan-

tumin valmistamia metalleja käytetään äänenvaimennuksessa mm. autoissa ja aseissa. Rajallisesta

äänenvaimennuskapasiteetistaan huolimatta huokoisille metalleille löytyy siis moninaisia käyttökoh-

teita erinomaisten kestävyysominaisuuksiensa takia. Lisäksi etenkin sisätiloissa käytettynä huokoi-

silla metallirakenteilla voi äänenvaimennuksen lisäksi olla esteettistä merkitystä.9,10,12

4.2.4. Elektrodit

Huokoisten metallien korkea pinta-ala, hyvä läpäisevyys ja mekaaninen kestävyys ovat houkuttelevia

ominaisuuksia hyödynnettäväksi elektrodeissa esimerkiksi erilaisissa paristoissa ja polttokennoissa.

Kun näihin ominaisuuksiin lisätään huokoisten metallien hyvä sähkönjohtavuus – vaikkakaan säh-

könjohtavuus ei ole yhtä hyvä kuin vastaaville tiiviille huokosettomille metalleille huokosten sisäti-

lojen ollessa kaasutäytteisiä ja näin ollen sähköä johtamattomia – on saatu luetteloitua joukko syitä

miksi sähkökemialliset sovellukset ovat yksi huokoisten metallien tärkeimpiä sovellusaloja nykypäi-

vänä.3, 28,7,12

Vaahtomaisesta nikkelistä valmistetaan elektrodeja nikkelikadmiumakuissa (NiCd) ja nikkelimetal-

lihydridiakuissa (NiMH) käytettäviksi, ja kyseessä onkin suurin teollinen ja kaupallinen metallivaah-

tojen käyttökohde.3,9 Muun muassa matkapuhelimissa käytetyissä litiumioniakuissa ei kuitenkaan

käytetä huokoista nikkeliä. Nikkelivaahdon nikkeliyhdisteet osallistuvat akun sähkökemiallisiin re-

aktioihin, ja vaahto vastaa sähkövirrasta paristossa.27 Nikkelin lisäksi myös esimerkiksi kuparia ja

lyijyä (esimerkiksi lyijyakuissa tavanomaisten lyijylevyjen asemesta) voidaan mahdollisesti käyttää

huokoisten elektrodien materiaaleina.10,7

Huokoisia metalleja käytetään polttokennoissa. Polttokennot ovat laitteita, joilla tuotetaan sähköä nii-

den elektrodeille laitteen ulkopuolelta syötetystä kemiallisesta energiasta. Polttokenno ei tuota hai-

tallisia sivutuotteita, eikä se käytä fossiilisia polttoaineita, joten se on lupaava uusiutuvan energian

tuottaja. Polttokennojen käyttö onkin yleistymässä. Erityisesti lähtöaineiltaan ja reaktio-olosuhteil-

taan toisistaan eroavia polttokennoja on monenlaisia, ja huokoisia metalleja on käytetty niissä elekt-

rodin lisäksi kaasun diffuusiokerroksena (gas diffusion layer) sekä virtauskenttänä (flow field). Polt-

tokennojen nykyistä laajempaa käyttöönottoa rajoittavat mm. korkea hinta, matala teho ja lämmön-

hallintaan liittyvät vaikeudet, joihin kaikkiin huokoiset metallit voivat tarjota ratkaisuja yhä parem-

min tulevaisuudessa. Tutkimus huokoisten metallien käytöstä polttokennoissa on painottunut pääasi-

assa huokoiseen nikkeliin.30,33

4.2.5. Laakerit

Viimeisenä huokoisten metallien käyttökohteena esitellään laakerit. Laakerit ovat suodattimien ja pa-

ristojen rinnalla ensimmäisiä tuotteita, joissa huokoisia metalleja alettiin hyödyntää. Sintrattuja jau-

heita käytettiin jo 1920-luvulla laakereiden valmistuksessa, ja 1960-luvun alussa valmistettiin sintrat-

tuja, itsevoitelevia alumiinilaakereita, joiden huokoisuusaste oli noin 20 %.3,34 Itsevoitelevassa laa-

25

kerissa laakerin huokosiin säilötty voiteluaine virtaa hitaasti ulos korvaamaan kulutetun voiteluai-

neen. Nykyaikaiset menetelmät mahdollistavat suurempia voiteluainemääriä säilövien laakerien val-

mistuksen, ja itsevoitelevat laakerit ovat edelleen merkittävimpiä huokoisten metallien käyttökoh-

teita.3,10

26

5. Huokoisten metallien analysointi

Huokoisten metallien tutkimiseksi ja analysoimiseksi on olemassa lukuisia menetelmiä. Menetelmät

voi jakaa karkeasti vaurioittaviin menetelmiin, joihin olennaisena osana liittyy huokoisen metallikap-

paleen rakenteen hajoaminen testauksen yhteydessä (esimerkiksi mekaanista lujuutta mittaavat testit),

ja ei-vaurioittaviin, joissa testikappale pysyy vahingoittumattomana tai vain vähäisesti muuttu-

neena.10

5.1. Vaurioittavat analysointimenetelmät

5.1.1. Kuvausmenetelmät

Vaikka erilaiset kuvausmenetelmät eivät varsinaisesti vaurioita tutkittavia metallikappaleita, testikap-

paleita joudutaan usein esikäsittelemään kuvaamista varten esimerkiksi leikkaamalla tai pinnoitta-

malla tavoilla, jotka tekevät kappaleiden myöhemmästä hyödyntämisestä mahdotonta. Kuvauslait-

teita ovat esimerkiksi valomikroskooppi ja pyyhkäisyelektronimikroskooppi, SEM (scanning

electron microscope). Mikroskoopeilla tutkitaan muun muassa huokosten kokoa, muotoa ja hienora-

kennetta, ja esimerkiksi SEM soveltuu erityisen hyvin avointen huokosten metallien tutkimiseen. Ku-

vausmenetelmät eivät kuitenkaan välttämättä tarjoa numeerisesti konkreettisia ja merkityksellisiä tut-

kimustuloksia, ja kuvien tulkitseminen on tärkeä osa tutkimusta.10,12

5.1.2. Mekaaninen testaus

Huokoisen metallin mekaanisen kestävyyden tutkiminen on välttämätöntä, jos materiaalia on suun-

niteltu käytettäväksi rakenteellisissa sovelluksissa. Koska huokoisten metallien kestävyys on usein

selkeä etu tavanomaisesti käytettyihin materiaaleihin verrattuna myös funktionaalisissa käyttökoh-

teissa, on mekaanisten ominaisuuksien tutkiminen näitäkin kohteita ajatellen hyödyllistä.10

Tavanomaisten metallien testaamiseen käytetyt laitteet soveltuvat huokoistenkin metallien mekaani-

seen testaukseen. Yleensä testausmenetelmiin tai -periaatteisiin ei tarvitse tehdä erityisiä muutoksia

huokoisia metalleja varten. Testikappaleiden ja mittauskertojen määrää sen sijaan joudutaan usein

nostamaan, sillä samastakin materiaalista valmistetut huokoiset metallikappaleet eroavat toisistaan

muun muassa massa- ja tiheysjakaumaltaan sekä huokosten morfologialtaan enemmän kuin vastaavat

ei-huokoiset kappaleet, mikä tarkoittaa myös suurempaa hajontaa niiden mekaanista kestävyyttä

osoittavissa testituloksissa. Erot voivat siis olla merkittäviä, vaikka saman mittaussarjan testikappa-

leiden kokonaistiheys olisi täsmälleen sama.10

Testausmenetelmillä voidaan tutkia huokoisten metallien taivutus-, jännitys-, puristus-, vääntö- ja

leikkauskestävyyttä. Testikappaleiden muoto riippuu valitusta testaustavasta. Hyvin huokoisten,

27

vaahtomaisten metallien tutkimuksessa käytetään useimmiten puristustestiä kuutiomaisille testikap-

paleille. Yleensä käytetään yksiakselisia testimenetelmiä (uniaxial testing), joissa mekaaninen rasitus

kohdistuu testikappaleeseen vain yhdestä suunnasta.10

5.1.3. Tribologia

Tribologia tarkoittaa toisiaan koskettavien liikkuvien pintojen kulumisen, kitkan ja voitelun tutki-

musta. Toisiaan koskettavien pintojen välillä tapahtuu vuorovaikutusta, jolloin materiaalien pintara-

kenteissa voi tapahtua muutoksia.35 Kitkasta johtuva pinnan kuluminen on huokoisten metallien hyö-

dyntämisen kannalta tutkimusta vaativa ilmiö. Huokoisia metalleja käytetään esimerkiksi laakereissa,

joissa jatkuva liike aiheuttaa kulumista, ja tällaisia sovelluksia varten tribologinen tutkimus on vält-

tämätöntä3. Kirjallisuudessa huokoisten metallien kitkaan ja kulumiseen liittyvät tutkimukset ovat

saaneet vähemmän huomiota kuin esimerkiksi mekaaniset testausmenetelmät.

5.2. Ei-vaurioittavat analysointimenetelmät

5.2.1. Röntgensäteilyyn perustuvat menetelmät

Röntgensäteilyä käyttämällä voidaan tutkittavasta metallikappaleesta ottaa kaksi- ja kolmiulotteisia

kuvia. Kun huokoisen metallikappaleen läpi suunnataan röntgensäde ja säteen heikentyminen kappa-

leessa mitataan, saadaan kaksiulotteinen kuva röntgensäteen absorptiosta kappaleessa, edellyttäen

että kuvaus on suoritettu jollekin kappaleen pinnalle kahdessa dimensiossa. Ohuilla kappaleilla täl-

lainen kuvaus voi antaa informaatiota huokosten muodosta, mutta paksummilla kappaleilla yksittäisiä

huokosia on vaikeaa erottaa huokosten päällekkäisyyden takia.10

Kehittyneempi menetelmä, jolla metallikappaleista saadaan kolmiulotteisia kuvia, joista voidaan tut-

kia esimerkiksi tiheyden jakautumista kappaleessa, on nimeltään tietokonekerroskuvaus (CT, X-ray

computed tomography). Tässä myös tietokonetomografiaksi kutsutussa tutkimusmenetelmässä rönt-

gensäteilyä ohjataan tutkimuskappaleeseen lukuisista suunnista pyörittämällä ja kääntämällä säteily-

lähdettä ja detektoria kappaleen ympärillä tai pyörittämällä kappaletta itseään.10,36 Monista eri suun-

nista otetuista röntgenkuvista koostetaan kappaleen 3D-rakennetta kuvaava esitys. Säteilyn heiken-

tyminen eri kohdissa näytettä antaa tietoa kunkin alueen tiheydestä.10 Menetelmää voidaan käyttää

jopa huokosiltaan suljettujen metallikappaleiden sisäosien tutkimiseksi.12 Menetelmä antaa kappa-

leen tiheysjakauman lisäksi tietoa esimerkiksi huokosten muodosta, huokoskokojen jakaumasta ja

huokosten liittymisestä toisiinsa.36 Nämä ominaisuudet ovat tiiviisti yhteydessä esimerkiksi materi-

aalin äänenvaimennustehoon, ja tietokonetomografiaa onkin hyödynnetty etsittäessä keinoja huokois-

ten metallien äänenvaimennustehon parantamiseksi.31

28

5.2.2. Akustiset mittaukset

Erilaisilla akustisilla mittauksilla voidaan tutkia ja arvioida huokoisten metallien äänen absorptiota ja

äänenvaimennustehoa. Impedanssiputki, joka koostuu yksinkertaistetusti äänilähteestä, mikrofo-

neista ja takaseinästä, on käyttökelpoinen väline kiekkomaiseen näytteeseen kohtisuoraan osuvien

ääniaaltojen absorptiota tutkittaessa. Metalli, jonka huokoset ovat suljetut, absorboi ääntä vain pin-

nallaan, joten absorptio on yhtä voimakasta kuin vastaavalla huokosettomalla metallilla. Yleensä im-

pedanssiputkimittauksissa on tarpeellista tehdä useampia mittauksia samalle materiaalille ja jopa

kaksi mittausta samalle testikappaleelle vastakkaiset pinnat vuorollaan kohti äänilähdettä, sillä huo-

kosiltaan suljettujen metallien tapauksessa eroa absorptiossa voi olla pinnan mukaan, kun taas raken-

teen sisässä tapahtuvan absorption ollessa voimakkaampaa avointen huokosten metallien yhteydessä

vastaavaa eroa ei yleensä havaita.10 Kuvassa 7 on Brüel & Kjærin valmistama tyypin 4206 impedans-

siputki ääniabsorptiomittauksia varten.37

Huokoisen metallin äänen absorptiokertoimeen vaikuttavat muun muassa huokosten koko, huokoi-

suusaste sekä huokosseinämien ja koko kappaleen paksuus. Erilaisten ominaisuuksien pohjalta on

kehitetty tilastollisia ja numeerisia malleja, joilla metallien äänen absorboimiskykyä voidaan ennus-

taa. Huokosiltaan puoliavoimien (suljetut huokoset ovat yhteydessä toisiinsa välillään olevissa sei-

nämissä sijaitsevien, vaihtelevaa kokoa olevien reikien kautta) alumiinien äänen absorptiota on en-

nustettu eräällä neuroverkkomallilla (GRNN, general regression neural network), ja tulosten havait-

tiin vastaavan erinomaisesti kokeellisia testauksia.8 Muitakin matemaattisia malleja, jotka perustuvat

esimerkiksi numeerisiin tai tilastollisiin menetelmiin, on käytetty tutkittaessa äänen absorptiota.37,38,39

Huokoisten metallien ääniabsorptiota on tutkittu melko kattavasti, ja kaikkien erilaisten mallien esit-

teleminen on tämän tutkielman laajuuden ulottumattomissa.

Kuva 7. Impedanssiputki BK4206, jolla voidaan tutkia huokoisten metallikappaleiden ääniabsorptiota.37

29

5.2.3. Muita tutkimusmenetelmiä

Esimerkiksi huokoisten metallien tiheys sekä sähkön- ja lämmönjohtavuus ovat ominaisuuksia, joi-

den tutkimiseksi on olemassa menetelmiä. Tiheyden määrittäminen on suoraviivaista ja perustuu kap-

paleen massan ja tilavuuden selvittämiseen. Huokoisten metallien lämmön- ja sähkönjohtavuutta tut-

kitaan samoilla menetelmillä kuin tavanomaisten metallien vastaavia ominaisuuksia, ja yleensä tut-

kimusmenetelmät vaativat vähän tai eivät lainkaan muutoksia normaaleihin toimintaperiaatteisiin.10

30

6. Tutkimuksen tavoitteet

Tämän pro gradu -tutkielman kokeellisen tutkimuksen tavoitteena oli tutkia polyvinyylialkoholin

(PVA) toimivuutta tilanvaraajamateriaalina (space holder) metalliruiskuvalulla tyypin 316L ruostu-

mattomasta teräksestä valettujen huokoisten metallikappaleiden valmistuksessa.

Metalliruiskuvalu eli MIM (metal injection molding) on valmistusmenetelmä, joka yhdistää tavan-

omaisen jauhemetallurgisen tuotantomenetelmän muovien ruiskuvaluun ja jolla voidaan valmistaa

monenlaisista metallimateriaaleista varsin pieniä metallikappaleita. Tavanomainen metalliruiskuva-

luprosessi etenee seuraavasti: Polymeerinen sideaine sekoitetaan jauhemaiseen metalliin ja ruiskuva-

letaan sitten haluttuun muotoon, ja tätä kappaletta kutsutaan vihreäksi kappaleeksi. Seuraavaksi side-

aine irrotetaan (debinding) kappaleesta, jolloin vain jauhemainen metalli pitää kappaleen (jota kutsu-

taan tässä vaiheessa ruskeaksi kappaleeksi) rakenteen kasassa, kunnes kappale lujitetaan valmiiksi

sintraamalla.40

Perinteisesti metalliruiskuvalulla on pyritty valmistamaan kestäviä ja mahdollisimman tiheitä metal-

likappaleita. Huokoisen kappaleen valmistamiseksi jauhemaisen metallin ja sideaineen sekaan sekoi-

tetaan tilanvaraajana toimivaa yhdistettä, joka voi olla esimerkiksi jokin suola, sokeri tai polymeeri.

Suotuisaa on, jos tämä yhdiste liukenee veteen tai johonkin orgaaniseen liuottimeen, sillä se poiste-

taan irrotusvaiheessa, jolloin tilanvaraajapartikkelien jälkeensä jättämät huokoset määrittävät lopul-

liseen huokoiseen metalliin syntyvien huokosten paikat ja koot. Olennainen vaihe on myös sintraus,

jonka aikana olosuhteet pitää määrittää niin, että aikaisempien työvaiheiden synnyttämien huokosten

rakenteessa ei tapahdu muutosta kappaleen kuitenkin samalla lujittuessa lopulliseen muotoon. Val-

mistusmenetelmä huokoisten metallikappaleiden valmistamiseksi ruiskuvalutekniikkaa käyttäen on

esitelty eri vaiheineen kuvassa 8.40

Kuva 8. Ruiskuvalamiseen perustuvan tuotantomenetelmän eri työvaiheet huokoisten metallikappaleiden val-

mistamiseksi.40

31

PVA:n käytöstä tilanvaraajana ruiskuvalulla valmistetuissa huokoisissa teräskappaleissa ei löytynyt

aiempaa tutkimustietoa kirjallisuudesta. 316L on yleisesti metalliruiskuvalussa käytetty ruostumaton

teräsmateriaali, josta on valmistettu huokoista terästä esimerkiksi polymetyylimetakrylaatin (PMMA)

toimiessa tilanvaraajana40. Tärkeimmät syyt PVA:n tutkimiseksi ovat PVA:n vesiliukoisuus, mikä

tarkoittaa sitä, että irrotusvaihe voitaisiin suorittaa helposti vettä liuottimena käyttäen, sekä tieto

PVA:n synnyttämästä epäsäännöllisen verkkomaisesta huokosrakenteesta teräskappaleessa, raken-

teesta, joka poikkeaa merkittävästi esimerkiksi pelkällä natriumkloridilla (NaCl) valmistettujen huo-

kosten säännöllisestä muodosta. Verkottuneempi huokosrakenne mahdollistaa nesteiden ja kaasujen

helpomman kulkeutumisen huokoisen metallin läpi, mistä on hyötyä mahdollisissa katalyyttisissä ja

suodatukseen perustuvissa sovelluksissa. Mitä enemmän PVA:ta käytetään, sitä huokoisempaa ja ke-

vyempää materiaalista tulee, mikä voi myös olla hyödyllistä erinäisissä sovelluksissa.

PVA:n käyttöön tilanvaraajana liittyy monia kysymyksiä, joihin kokeellisella tutkimuksella pyrittiin

vastaamaan: Pystytäänkö PVA irrottamaan metallirakenteesta hajottamatta kappaletta, ja jos pysty-

tään, mikä on vaadittava liuotuslämpötila ja -aika? Vaikuttaako valetun kappaleen muoto ja paksuus

PVA:n käyttökelpoisuuteen, eli pysyvätkö esimerkiksi ohuemmat kappaleet eheinä paksuja parem-

min? Mikä on sopiva PVA:n massaprosenttinen osuus metallijauheseoksessa?

Ennakkotietona ennen tutkimuksen aloittamista oli, että PVA vaatinee natriumkloridin yhtäaikaista

käyttöä tilanvaraajana ehjien metallikappaleiden aikaansaamiseksi, sillä PVA:lla on taipumus laajen-

tua vedessä. NaCl:n käytöllä luodaan lisää huokosia ja parempia poistumisteitä kappaleesta PVA:lle.

Myös sopivaa NaCl:n osuutta yhdessä PVA:n kanssa käytettäessä pyrittiin etsimään.

Tutkimuksen toisena tavoitteena oli PVA:ta tilanvaraajana käyttämällä valmistettujen huokoisten te-

räskappaleiden ominaisuuksien tutkiminen huokoisuuden funktiona. Tutkittaviksi ominaisuuksiksi

valikoituivat mekaanisiin kestävyysominaisuuksiin lukeutuva taivutuskestävyys sekä tribologian

alaan kuuluvat kulumis- ja kitkaominaisuudet. Koska PVA:n käytöstä tilanvaraajana huokoisten me-

tallien valmistuksessa ruiskuvalutekniikalla ei löytynyt aiempaa tutkimustietoa, on tällaisten kappa-

leiden tutkimus uutta ja mielenkiintoista. Kuten osiossa 5.1.2 mainitaan, on huokoisten kappaleiden

kestävyysominaisuuksien tutkiminen olennaista mahdollisten sovellusten näkökulmasta tarkastel-

tuna. Tavoitteena oli myös tutkia valmistettujen kappaleiden rakennetta SEM:llä.

Tutkimusta aloitettaessa ei ollut varmuutta siitä, onnistuttaisiinko kestävyysominaisuuksien tutki-

mista varten valmistamaan riittävän eheitä ja tasalaatuisia kappaleita PVA:ta hyödyntäen. Jos tämä

ei onnistuisi, varavaihtoehtona pidettiin pelkän NaCl:n käyttöä tilanvaraajana, ja tällä tavalla valmis-

tettujen huokoisten terästen ominaisuuksien tutkimista. Suolan käyttö ruiskuvalussa on tiettävästi on-

gelmatonta, sillä se on helposti veteen liukenevaa, joten suolaa käyttämällä tutkimuksen painotusta

siirrettäisiin kappaleiden valmistukseen liittyvästä tutkimuksesta enemmän kohti kestävyysominai-

suuksien testausta. Tällöin voitaisiin esimerkiksi tutkia kestävyyden mahdollista muutosta kasvavan

huokoisuuden eli käytetyn NaCl-pitoisuuden funktiona.

32

7. Kokeelliset menetelmät

Kokeellinen työ koostui neljästä vaiheesta: näytekappaleiden valmistuksesta ruiskuvalamalla sekä

näiden kappaleiden liuottamisesta, sintrauksesta ja viimeisenä työvaiheena analysoinnista.

7.1. 316L-kappaleiden valmistus

Kaikkien valmistettujen kappaleiden raaka-aineena käytettiin kaupallista polyMIM® 316L D 120E -

ruostumatonta terästä. Ruostumattomissa teräksissä rautaan on seostettu ainakin 10,5 massaprosenttia

kromia ja vähintään 1,2 massaprosenttia hiiltä. Kromi parantaa teräksen korroosionkestävyyttä ilman

hapen vaikutuksesta teräksen pintaan muodostuvalla ohuella oksidikerroksella. Tutkimuksessa käy-

tetty teräs on austeniittista: teräkseen, jossa on 16-20 massaprosenttia kromia on lisätty vähintään 6

massaprosenttia nikkeliä, mikä tekee teräksestä ei-magneettista, sitkeämpää ja helpommin muokatta-

vaa ja hitsattavaa.41 Valmistajan mukaan käytetty 316L sisältää sintrattuna massaprosentteina 0,03 %

hiiltä, 16,0-18,5 % kromia, 10,0-14,0 % nikkeliä sekä lisäksi molybdeenia (Mo), mangaania (Mn),

piitä (Si), rikkiä (S) ja fluoria (P).

Huokosettomat tiiviit vertailukappaleet valmistettiin usein käyttämällä terästä sellaisenaan rakeina,

jotka syötettiin suoraan ruiskuvalulaitteen sylinteriin. Valmistettaessa jauheseoksia huokoisten kap-

paleiden valamista varten rakeista 316L-terästä jauhettiin Retsch ZM 200 -myllyllä. Jauhamisella

pyrittiin helpottamaan teräspartikkelien mahdollisimman tasaista sekoittumista NaCl:n ja PVA:n

kanssa.

Seokset valmistettiin punnitsemalla lasketut massat lähtöaineita muovisiin näytepurkkeihin. Jotta tä-

män tutkimuksen tuloksia voidaan verrata muihin tutkimuksiin, on syytä esitellä laskutapa, jolla seos-

ten massaprosenttiset koostumukset laskettiin. Suolan osuus laskettiin aina ensin massaprosenttina

koko massasta (m(316L)+m(NaCl)), ja tämän jälkeen mahdolliset muut aineet, kuten PVA ja parafiini

laskettiin massaprosenttina kokonaismassasta, esimerkiksi PVA:n osuus lasketaan kaavan (1) mukai-

sesti.

%(𝑃𝑉𝐴) = 𝑚(𝑃𝑉𝐴)

𝑚(316𝐿)+(𝑁𝑎𝐶𝑙)+𝑚(𝑃𝑉𝐴)× 100 % (1)

Parafiinin osuus lasketaan vastaavasti kaavalla (2).

%(𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑖𝑖𝑛𝑖) = 𝑚(𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑖𝑖𝑛𝑖)

𝑚(316𝐿)+(𝑁𝑎𝐶𝑙)+𝑚(𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑖𝑖𝑛𝑖)× 100 % (2)

33

PVA:n, parafiinin (ja joissakin kappalesarjoissa lisäksi käytetyn polyetyleeniglykolin, PEG:n) osuuk-

sia pidettiin siis toisiinsa rinnastettavina, eikä ensimmäisen massaa laskettu mukaan kokonaismas-

saan jälkimmäisen massaa laskettaessa, missä järjestyksessä aineet sitten laskettiin tai punnittiinkaan.

Parafiinia käytettiin kaikkien huokoisten näytekappaleiden valmistuksessa raaka-ainemassan juokse-

vuuden lisäämiseksi ja kappaleiden pitämiseksi eheinä ennen sintrausta.

Ellei toisin mainita, huokoisten metallikappaleiden valmistuksessa käytettiin suolaa, jonka raekoko

on 201-315 µm. Tämä koko valikoitui käytettäväksi, koska se osoittautui suurempia raekokoja help-

pokäyttöisemmäksi; ensimmäisissä valuissa käytetty muotti täyttyi kokonaan verrattain matalilla pai-

neilla ja valuajoilla. Yhteen suolan raekokoon keskittyminen teki eri valusarjojen kappaleista tämän

parametrin suhteen keskenään vertailukelpoisia. Suola jauhettiin edellä mainitulla Retsch ZM 200 -

myllyllä ja seulottiin raekoon määrittämiseksi Retsch AS 200 digit -seulapakkaravistelijalla. Käytetty

polyvinyylialkoholi on 98-99-prosenttisesti hydrolysoitua, ja sen molekyylimassa on 31 000-50 000

g/mol.

Metallikappaleet valettiin Thermo Scientificin valmistamalla Haake MiniJet II -ruiskuvalulaitteella

(kuva 9).

Kappaleita valettiin kolmella eri muotilla. Pyöreällä muotilla voitiin valmistaa ohuita ja paksuja, kiek-

komaisen pyöreitä kappaleita riippuen käytetyn sisäkappaleen paksuudesta. Tällä muotilla valettuja

kappaleita kutsutaan tämän tutkimuksen puitteissa usein ”kolikoiksi” kappaleiden muotoon perus-

tuen. Suorakulmaisella muotilla valmistettuja levymäisiä kappaleita (”levyjä”) käytettiin analysoin-

tivaiheessa tribologisissa tutkimuksissa, ja valetuilla vetosauvoilla tutkittiin kappaleiden mekaanista

kestävyyttä. Käytetyt muotit ovat nähtävissä kuvassa 10a. Kuvan 10a oikeanpuolimmainen, vetosau-

vamuotti valmistettiin työn aikana. Muotin pohja on liikuteltavissa pystysuuntaisesti ”työntöruuvien”

Kuva 9. 316L-kappaleiden valamiseen käytetty Haake Minijet II -ruiskuvalulaite.

34

avulla, ja tämä muotti ja sen rakenne nähdään tarkemmin kuvassa 10b. Huokoiset kappaleet osoit-

tautuivat niin hauraiksi ja niin tiukasti muottiin kiinnittyviksi, että niitä ei onnistuttu irrottamaan eh-

jinä tavallisesta vetosauvamuotista, jonka pohja ei ole nostettavissa. Tämän vuoksi uudenlaisen muo-

tin valmistaminen oli välttämätöntä.

Ruiskuvalulaitteen parametrisointiin ei tutkimuksen ajallisten rajoitteiden vuoksi paneuduttu syvälli-

sesti. Parametreja muutettiin lähinnä valettujen kappaleiden laadun ja muotin täyttymisen turvaa-

miseksi, ja vaikka valusarjojen välillä ja etenkin sisällä eri kappaleille käytetyt valuparametrit pyrit-

tiin pitämään vakioina, ei parametrien muuttamista vältetty, jos se kappaleiden laadun kannalta osoit-

tautui tarpeelliseksi. Olennainen parametri PVA:ta käytettäessä oli ruiskuvalulaitteen sylinterin läm-

pötila, joka pidettiin käytetyn PVA:n sulamispisteen (200 °C) yläpuolella PVA:n sulamisen ja mak-

simaalisen raaka-aineeseen sekoittumisen takaamiseksi.

7.2. 316L-kappaleiden liuotus

Tämän tutkimuksen raportoinnissa metallien ruiskuvaluprosessiin olennaisena osana kuuluvaa side-

aineiden (ja tilanvaraajien) irrotusvaihetta kutsutaan liuotusvaiheeksi, koska kaikki ennen sintrausta

tapahtuva aineiden irrotus tehtiin ioninvaihdettua vettä liuottimena käyttäen.

Valetut metallikappaleet laitettiin liuotukseen yksinkertaiseen liuotuslaitteistoon, joka koostui kah-

den tai viiden litran dekantterilasista, magneettisekoittajallisesta lämpölevystä lämpötilasäätimellä

varustettuna sekä näytekappaletelineestä (kuva 11). Liuotuksen tarkoituksena on poistaa metallikap-

paleesta 316L:ssä mukana olevia sideaineita sekä huokoisten kappaleiden tapauksessa valetussa kap-

paleessa olevat NaCl ja PVA, jotka jättävät jälkeensä halutut kolot ja huokoset. Sekä NaCl että PVA

ovat vesiliukoisia, kuten on myös PEG, jota käytettiin muutamien kappalesarjojen valmistuksessa, ja

jota käytetty 316L sisältää sideaineena. Toinen 316L:ään sisältyvä sideaine, jokin polyolefiini, jonka

a) b)

Kuva 10. 316L-kappaleiden valamisessa käytettyjä ruiskuvalumuotteja. a) Vasemmalta oikealle: pyöreiden

kolikoiden, suorakulmaisten levyjen ja vetosauvojen valamisessa käytetyt muotit; b) Lähikuva vetosauva-

muotista.

35

tarkkaa rakennetta ei tiedetä, koska valmistaja ei ole sitä ilmoittanut eikä sen tutkiminen tämän tut-

kielman puitteissa ole tarpeellista, sen sijaan ei ole vesiliukoista, kuten ei myöskään kaikkien huo-

koisten kappaleiden valmistuksessa käytetty parafiini.

Liuottimena käytettiin ioninvaihdettua vettä, jonka lämpötila oli 50-70 °C. Yleisimmin käytetty läm-

pötila vakiintui 60 °C:seen, koska liuotusajassa ei havaittu kasvua ensimmäisissä liuotuksissa käytet-

tyyn 70 °C:n lämpötilaan verrattuna. Toisaalta matalammalla lämpötilalla pyrittiin estämään kappa-

leiden rakenteen hajoamista ja rakoilua liuotuksen aikana. 50 °C:n lämpötilaa käytettiin lähinnä yön

yli kestävissä liuotuksissa pyrkimyksenä vähentää veden höyrystymistä liuotuslaitteistosta. Liuotus-

aika oli kaikissa tapauksissa yli kymmenen tuntia, mutta vaihtelua tapahtui, sillä kappaleen muoto ja

paksuus vaikuttavat vaadittuun liuotusaikaan. Jos kappaleet jätettiin yön ajaksi liuotukseen, liuotus-

aika kohosi tarpeettomankin korkeaksi, mutta tällä ei ole havaittua vaikutusta kappaleiden rakentee-

seen tai ominaisuuksiin.

Liuotuksen etenemistä seurattiin punnitsemalla näytekappaleen massa kuivauksen jälkeen. Kappaleet

kuivattiin uunissa 100 °C:ssa 2-3 tunnin ajan.

Kuva 11. Liuotuslaitteisto valetuissa 316L-kappaleissa olevien sideaineiden ja tilanvaraajien, kuten NaCl:n

ja PVA:n, irrottamiseksi. Taustalla näkyvät oranssit letkut eivät ole osa laitteistoa.

36

7.3. 316L-kappaleiden sintraus

Liuotuksen jälkeen kuivatut metallikappaleet lähetettiin Karelia-ammattikorkeakoululle sintratta-

viksi. Sintraamiseen käytettiin Carbolite Gero -sintrausuunia (kuva 12). Sintraus tehtiin vetyilmake-

hässä normaalipaineessa. Lämpötila nostettiin ensin hitaasti 600 °C:seen, jossa se pidettiin kaksi tun-

tia, jonka jälkeen lämpötila nostettiin nopeammin kahdeksi tunniksi 1360 °C:n lopulliseen sintraus-

lämpötilaan. Tätä seurasi sintrausuunin lämpötilan nopea laskeminen ja sintrattujen kappaleiden jääh-

dyttäminen. Ennen sintrausta kappaleiden massat määritettiin, ja niitä verrattiin alkumassoihin ennen

liuotuksia. Näin varmistettiin, että suola ja PVA (sekä PEG) olivat liuenneet likipitäen kokonaan kap-

paleista. Tällä pyrittiin estämään sideaineiden ja tilanvaraajien jäämistä aiheutuvia epäpuhtauksia val-

miissa sintratuissa kappaleissa. Sintrausvaiheessa kappaleista irtosivat veteen liukenemattomat para-

fiini ja sideaineena 316L:ään sisältyvä polyolefiini.

7.4. 316L-kappaleiden analysointi

Sintraamalla valmiiksi saatettuja metallikappaleita ja niiden ominaisuuksia tutkittiin eri menetelmin.

Kappaleiden pinnan ja rakenteen tutkimisessa käytettiin Hitachi S-4800 -pyyhkäisyelektronimikro-

skooppia (SEM).

Suorakulmaisia, levymäisiä kappaleita käytettiin CSM Instruments -tribometrillä (kuva 13a) teh-

dyissä tribologisissa tutkimuksissa, joista saatiin selville kappaleiden liikekitkakertoimet. Tutkimuk-

sissa käytettiin kaikille kappalelaaduille neljää painoa: 1, 3, 5 ja 7 Newtonia. Tribometri liikuttaa

tutkittavaa metallilevyä samasta materiaalista valmistettua liikkumatonta, muodoltaan luotimaista

metallikappaletta vasten. Jokaisen mittauksen päätepisteeksi määritettiin 100 metrin matka, jonka

Kuva 12. Carbolite Gero -sintrausuuni Karelia-ammattikorkeakoululla.

37

vastakappale kulkee 4,0 cm janaa pitkin edestakaisin levyn pinnalla valitun maksiminopeuden ollessa

5,0 cm/s. Yhden mittauksen ajallinen kesto oli noin 52 minuuttia.

Vetosauvoiksi valetuilla kappaleilla tehtiin taivutuskokeita Zwick Z010/TH2A -materiaalientestaus-

laitteella (kuva 13b). Kaikkien testien loppupisteeksi valittiin 2,25 mm:n venymä, joka on noin 1,5

kertaa kappaleiden paksuus.

Kuva 14 esittää käytetyn kolmipisteisen taivutustestin (three-point flexural test) toimintaperiaatteen

ja testijärjestelyn.42 Taivutus kohdistuu tukitelojen päälle asetetun testikappaleen keskikohtaan val-

koisen nuolen osoittamasta suunnasta. Yleisesti metallien ja polymeerien testauksessa käytetyllä ve-

totestillä määritetyt arvot esimerkiksi kimmokertoimelle (Youngin moduuli) eivät välttämättä vastaa

taivutustestillä määritettyjä arvoja testausmenetelmien erilaisuuden takia.

Kuva 13. Valmiiden 316L-kappaleiden analysoinnissa käytettyjä laitteita. a) tribometri; b) taivutustestilait-

teisto.

a) b)

38

Taivutustestin mittauslaitteiston tukitelojen välinen etäisyys asetettiin standardin EN ISO 7438:2005

mukaiseksi kaavalla (3):

𝑙 = (𝐷 + 3𝑎) ±𝑎

2 (3)

jossa

l = tukitelojen välinen etäisyys (mm)

D = taivutustuurnan halkaisija (mm)

a = koekappaleen paksuus tai halkaisija (mm).42

Käyttäen erään kappaleen paksuutta (vaihtelu kappaleiden paksuudessa oli laskukaavan kannalta

merkityksettömän vähäistä) laskussa saatiin tukitelojen väliseksi etäisyydeksi:

𝑙 = (10 + 3 × 1,37) ±1,37

2= 14,11 ± 0,685 (𝑚𝑚).

Etäisyydeksi asetettiin 14,0 mm.

Kuva 14. Yksinkertaistettu esitys kolmipisteisen taivutustestin koejärjestelystä. Taivuttava voima vaikuttaa tes-

tikappaleeseen valkoisen nuolen osoittamassa suunnassa. l = tukitelojen välinen etäisyys; D = taivutustuurnan

halkaisija; a = koekappaleen paksuus tai halkaisija.42

39

8. Tulokset ja pohdinta

Tutkimuksen tulokset esitetään tässä kappaleessa kronologisessa järjestyksessä tutkimuksen etene-

mistä mukaillen, sillä myöhempien vaiheiden työskentely rakentui suurilta osin aikaisempien tutki-

mustulosten varaan.

8.1. Huokoisen verkkorakenteen saavuttaminen 316L-kappaleisiin PVA:n avulla

8.1.1. Kolikkosarjan 1 valmistus

Tutkimustyö aloitettiin tutkimalla natriumkloridin ja PVA:n yhdistelmän valettavuutta käyttämällä

suolan eri raekokoja. Tätä tutkimusta edeltävän tutkimusprojektin tuloksien perusteella tiedettiin, että

kun 316L:n ja NaCl:n seokseen, jonka massasta noin 30 massaprosenttia on raekooltaan 201-315 µm

olevaa suolaa, lisätään 3,6 massaprosenttia PVA:ta ja 1,0 massaprosenttia parafiinia, saadaan valmis-

tettua varsin eheitä ja rakenteeltaan erittäin huokoisia noin 2,5 mm paksuisia (ennen sintrausta) pyö-

reitä, kolikonmuotoisia kappaleita. Tällä tavalla valmistetut kappaleet ovat niin huokoisia, että vesi

läpäisee valmiin sintratun kappaleen pelkän gravitaation vaikutuksesta. Ensimmäisenä yritettiin käyt-

tää tätä toimivaksi havaittua reseptiä paksumpien (noin 7 mm ennen sintrausta) kolikoiden vala-

miseksi kokeillen samalla suolan eri raekokojen soveltuvuutta.

Isommat suolakoot (>500 µm ja 401-500 µm) osoittautuivat valun kannalta hankaliksi käytetyillä

valuparametreilla; on mahdollista, että painetta ja aikaa kohottamalla kolikkoja olisi saatu valettua

ainakin raekoolla 401-500 µm. Näillä suurilla partikkelikoilla käytetty paine ei riittänyt puristamaan

raaka-ainemassaa muottiin, vaan se jäi jumiin sylinterin suuttimeen, mihin todennäköisenä syynä on

käytetyissä lämpötiloissa sulamattomien, verrattain suurien suolakiteiden kasautuminen kapeaan

suuttimeen. Suuret suolakiteet tekevät raaka-ainemassasta karkeaa ja vähemmän juoksevaa. Koot

316-400 µm sekä 201-315 µm olivat käyttökelpoisia jälkimmäisen tuottaessa muotin parhaiten täyt-

täneitä kolikoita. Näin ollen vain kokoja 316-400 µm ja 201-315 µm käytettiin myöhempien kappa-

leiden valmistuksessa.

Suola aiheutti MIM-jauheseoksen valettavuuden heikkenemistä: MIM-seokset eivät täyttäneet muot-

tia aivan täydellisesti. Tämän ongelman ratkaisemiseksi seuraaviin seoksiin lisättiin noin 1,0 m-%

PEG:a, jolla jauhemassasta pyrittiin tekemään juoksevampaa. Taulukossa 1 on esitetty edellä maini-

tuilla kahdella valamiskerralla valetut kolikot parametreineen ja koostumuksineen liuotukseen kel-

puutettujen kolikoiden osalta (hyvin epätasaiset tai puutteellisesti muotin täyttäneet kappaleet jätettiin

liuottamatta). Näitä kappaleita kutsutaan kolikkosarjaksi 1.

40

Taulukko 1. Kolikkosarjan 1 jauhekoostumuksia ja valuparametreja. Parametrit ovat T(sylinteri)=sylinterin

lämpötila, T(muotti)=muotin lämpötila, p=paine ja t=aika.

nro PEG / % NaCl / µm T(sylinteri) / °C T(muotti) / °C p / bar t / s

1 0 316-400 210 80 450 3

2 1 316-400 210 80 450 3

3 1 201-315 210 80 450 3

4 1 201-315 210 80 500 3

5 1 316-400 210 80 500 3

Lisäksi valettiin kaksi matalaa, suorakulmaista levyä samoilla jauhekoostumuksilla. Näiden kappa-

leiden valuparametrit löytyvät taulukosta 2.

Taulukko 2. Testilevyjen jauhekoostumuksia ja valuparametreja.

nro PEG / % NaCl / µm T(sylinteri) / °C T(muotti) / °C p / bar t / s

1 1 316-400 210 80 500 3

2 1 201-315 210 80 500 3

Taulukoiden 1 ja 2 kappaleita liuotettiin ioninvaihdetussa vedessä 70 °C:ssa kahdesti kahden tunnin

ajan. Molempien liuotusten jälkeen kappaleet kuivattiin uunissa.

Kappaleiden rakenne hajosi liuotuksen aikana. Kuva 15 esittää kolikot ja levyt kahden tunnin liu-

otuksen ja kuivauksen jälkeen. Levyt hajosivat jo kahden ensimmäisen liuotustunnin aikana niin pal-

jon, että niitä ei liuotettu enempää. Kolikoiden pinnalla näkyy niiden sisältä diffuntoitunutta suolaa,

joka ilmaantui kuivauksen aikana.

41

Kuvasta 16 voi nähdä pyöreiden kappaleiden rakenteen rakoilleen merkittävästi neljän liuotustunnin

jälkeen. Kolikoiden pinnalla on edelleen runsaasti diffuntoitunutta suolaa, mistä voidaan päätellä, että

läheskään kaikki suola ei ole vieläkään irronnut kolikoista. Kolikoita liuotettiin vielä yön yli noin 17

tuntia 50 °C:ssa, minkä jälkeen ne lähetettiin sintrattavaksi (lukuun ottamatta kolikkoa nro 5, jonka

massa oli laskenut vähiten alkumassaan verrattuna).

Kuvassa 17 on esitetty sarjan 1 kolikot 1-4 sintrattuina. Kappaleiden rakenne on hajonnut selvästi

reunoilta, ja kappaleiden keskiosissakin on halkeamia. Kolikko 4 on kuitenkin katkaistu tarkoituksel-

lisesti sintrauksen jälkeen murtopinnan tutkimiseksi SEM:llä. Suolan raekoolla (201-315 µm

kappaleissa 3 ja 4, 316-400 µm kappaleissa 1 ja 2) ei vaikuttaisi olevan suurta vaikutusta kappaleiden

Kuva 15. Kolikkosarjan 1 kappaleet ja testilevyt ensimmäisen liuotuksen ja kuivauksen jälkeen. Ylärivi va-

semmalta oikealle: 1,2. Keskirivi vasemmalta oikealle: 3,4,5. Alarivi ylhäältä alas: 1,2.

Kuva 16. Kolikkosarjan 1 kappaleet toisen liuotuksen ja kuivauksen jälkeen. Ylärivi vasemmalta oikealle: 1,2.

Alarivi vasemmalta oikealle: 3,4,5.

42

hajoamisen voimakkuuteen, vaikkakin suurempaa raekokoa käyttävien kappaleiden 1 ja 2 reunat ovat

hajonneet hieman enemmän kuin kappaleiden 3 ja 4 reunat. Toisaalta kappalemäärät ovat niin pieniä,

että kattavien johtopäätösten tekeminen ei ole helppoa.

8.1.2. Kolikkosarjan 2 valmistus

Seuraavaksi alettiin etsiä ratkaisuja kolikoiden hajoamiseen liuotuksen aikana muuttamatta kappalei-

den paksuutta (noin 7 mm). Edellä esiteltyjen ensimmäisten kappaleiden valamisessa käytettiin jau-

hamatonta PVA:ta, joten seuraavassa erässä PVA päätettiin jauhaa myllyssä 316L:n sekaan tasalaa-

tuisemman jauheen aikaansaamiseksi. PVA:n osuus 316L:stä pidettiin 3,6 massaprosentissa ja

NaCl:n 30 massaprosentissa. (NaCl:n todellinen massaprosenttinen osuus tässä sarjassa on noin 1

prosenttiyksikköä suurempi, ks. taulukko 3.) Myös parafiinin ja PEG:n osalta pitäydyttiin aiemmin

käytetyissä 1,0 massaprosentin lukemissa. Jauhekoostumukset ja valuparametrit ovat monin osin sa-

mat kuin taulukossa 1 kuvatuille kappaleille. Poikkeavuudet on esitetty taulukossa 3.

Taulukko 3. Kolikkosarjan 2 jauhekoostumuksia ja valuparametreja.

nro NaCl / % NaCl / µm PEG / % parafiini / % p / bar

1 31 316-400 1,0 1,0 500

2 31 316-400 1,0 1,0 450

3 31 201-400 1,0 1,0 450

4 31 201-400 1,0 1,0 450

5 31 316-400 1,0 1,0 450

Sarjan 2 kolikoita liuotettiin vastaavasti kuin ensimmäisen sarjan kolikoita: ensin 4 tuntia 70 °C:ssa,

sitten 17 tuntia 50 °C:ssa.

Kuvassa 18 ovat kolikkosarjan 2 sintratuista kappaleista numerot 2-4. Sarjan 2 kolikot eivät

selvinneet liuotuksesta merkittävästi eheämpinä kuin sarjan 1 kolikot, eli PVA:n jauhamisesta 316L:n

Kuva 17. Kolikkosarjan 1 kappaleita sintrauksen jälkeen. Vasemmalta oikealle: 1,2,3,4. Kolikko 4 on katkaistu

sintrauksen jälkeen murtopinnan tutkimiseksi SEM:llä.

43

sekaan ei ollut suurta etua. Toisaalta suolan raekoolla ei sarjan 2 tapauksessa vaikuttaisi olevan silmin

havaittavaa vaikutusta kappaleiden hajoamisen voimakkuuteen.

8.1.3. Kolikkosarjan 3 valmistus

Seuraavaa kolikkosarjaa varten PVA:n ja NaCl:n osuudet pidettiin ennallaan (3,6 ja 31 massaprosen-

tissa), kun taas PEG jätettiin pois ja parafiinin osuus kaksinkertaistettiin noin 2,1 massaprosenttiin.

Tällä pyrittiin estämään kappaleiden hajoamista liuotuksen aikana ja toisaalta pitämään muotin täyt-

tyminen valun aikana optimaalisena. Käytössä oli edellistä sarjaa varten jauhettu PVA:n ja 316L:n

seos. Koska suolan raekoolla ei aiemmissa tutkimuksissa havaittu olevan merkitystä kappaleiden ha-

joamiseen, valittiin suolan kooksi 201-315µm, jota käytettiin poikkeuksetta kaikissa kokeellisen tut-

kimustyön myöhemmissä vaiheissa. Muotissa käytettiin hieman erilaista sisäkappaletta, joten valet-

tujen kappaleiden paksuus laski noin 7 mm:stä noin 6 mm:iin. Valuparametrit pysyivät samoina kuin

aiemmissa sarjoissa, painetta lukuun ottamatta. Käytetty paine vaihteli välillä 350-500 bar. Koska eri

kolikoiden välillä vaihtelua on vain käytetyssä paineessa, niin jauhekoostumuksia ja valuparametreja

ei esitetä taulukkomuodossa.

Tämä kolmas kolikkosarja liuotettiin 70 °C:ssa kahden tunnin jaksoissa, joiden välillä kappaleet kui-

vattiin uunissa ja punnittiin. Taulukoituina massat löytyvät taulukosta 4. Taulukon viimeinen sarake

kertoo liuenneen massan prosentteina käyttäen viimeistä punnitustulosta verrattaessa alkumassaan.

Taulukko 4. Kolikkosarjan 3 kappaleiden massat liuotuksen edetessä. m1=alkumassa ennen liuotuksia,

m2=massa 2 h liuotuksen jälkeen, m3= massa 4 h liuotuksen jälkeen, jne.

nro m1 / g m2 / g m3 / g m4 / g m5 / g m6 / g m7 / g m8 / g mliuennut / %

1 9,53 8,56 7,97 7,57 7,06 hajosi 25,9

2 9,55 8,49 7,95 7,54 7,15 6,85 6,57 hajosi 31,2

3 9,41 8,33 7,71 7,24 6,76 hajosi 28,1

4 9,41 8,36 7,77 7,36 6,94 6,60 6,21 6,08 35,4

5 9,16 8,07 7,47 7,01 6,53 6,14 5,97 valmis 34,8

6 8,95 7,68 6,91 6,42 5,97 5,72 5,59 valmis 37,5

Kuva 18. Kolikkosarjan 2 kappaleita sintrauksen jälkeen. Vasemmalta oikealle: 2,3,4.

44

Kappaleet 1 ja 3 hajosivat kahteen osaan kymmenen tunnin liuotuksen jälkeen (m6). Samoin kävi

kappaleelle 2 14 tunnin jälkeen, kun taas kappaleiden 5 ja 6 liuotus lopetettiin 12 tunnin jälkeen,

koska niiden massasta oli liuennut laskennallisesti NaCl:n, PVA:n ja 316L:n liukenevien sideaineiden

massoja vastaava määrä.

Kuvassa 19 on esitetty taulukkoon 4 pohjautuen kolikkosarjan 3 kappaleiden massan muutos liuotuk-

sen edetessä.

Kuvaajasta nähdään, että liukeneminen on voimakkainta ensimmäisten liuotustuntien aikana ja hi-

dastuu loppua kohden. Kolikoiden hajoaminen haittasi liuotuskokeen suoritusta, ja monen kappaleen

tapauksessa rakenteen hajoaminen esti liuotuksen jatkamisen ja täydellisen liuotuksen saavuttamisen.

Tuloksia vääristää hajoamisen seurauksena kappaleiden rakenteesta irronneet teräsosat; kaikki pu-

donnut massa ei ole liuenneita lisäaineita. Näyttäisi kuitenkin siltä, että käytetyllä jauhekoostumuk-

sella kaikkien liuotuksessa irtoavien yhdisteiden poistuminen vaatii jopa yli 12 tunnin liuotusaikaa.

Vertailun vuoksi olisi ollut mielenkiintoista tutkia saman paksuisten ja saman muotoisten, pelkkää

NaCl:a huokosten muodostajana käyttävien tai pelkästä 316L:stä valmistettujen kappaleiden liuotus-

aikaa. Kirjallisuudesta löytyy tutkimus, jossa tutkittiin muun muassa pääosin (87-massaprosenttisesti)

PEG:sta koostuvan sideaineen liukenemista Ti6%Al4%V-titaaniseoksesta. Sideaineen tilavuuspro-

sentti kappaleen kokonaistilavuudesta oli noin 30 kappaleiden paksuuden ollessa 6 mm ja liuotuksen

tapahtuessa lämpötilassa 60 °C, joten tulokset ovat näiltä osin vertailukelpoisia tämän tutkielman

tuloksiin. 75 % sideaineesta liukeni 2,5 tunnissa, kun taas noin 95 % liukenemiseen kului noin 12,5

tuntia. Tulokset ovat varsin samankaltaisia tämän tutkimuksen tulosten kanssa.43

Kolmannen kolikkosarjan kappaleita ei sintrattu, sillä ne eivät eronneet merkittävästi aiempien sarjo-

jen kappaleista, joita oli analysointia varten riittävä määrä.

Kuva 19. Kolikkosarjan 3 kappaleiden massan lasku liutousajan funktiona.

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

8,00

8,50

9,00

9,50

10,00

0 2 4 6 8 10 12 14

mas

sa (

g)

aika (h)

1

2

3

4

5

6

45

8.1.4. Kolikkosarjan 4 valmistus

Kolikkosarjat 1-3 osoittivat, että 3,6 massaprosenttia PVA:ta on liian korkea määrä ehjien kappalei-

den valmistamiseksi. Niinpä kolikkosarjaan 4 PVA:n pitoisuus laskettiin 2,0 massaprosenttiin.

NaCl:n pitoisuus oli 30 m-% ja parafiinin 1,0 m-%, sillä edellisen sarjan 2,0 m-% ei osoittanut etuja

aiempien sarjojen tuloksiin verrattuna. PVA:n jauhamisesta 316L:n sekaan luovuttiin, sillä siitäkään

ei ollut havaittavaa hyötyä kappaleiden kestävyyden kannalta, ja näin tekemällä säästyttiin yhdeltä

ylimääräiseltä työvaiheelta.

Kolikkoja valettiin kuusi kappaletta, ja valamiseen käytettiin toimiviksi todettuja parametreja: sylin-

terin lämpötila oli 210 °C, muotin lämpötila 80 °C, paine 450 bar ja aika 3 sekuntia. Vertailun vuoksi

kolikoista 1 ja 2 tehtiin ohuempia (paksuus ennen sintrausta noin 2,5 mm) kuin lopuista (noin 6 mm).

Kappaleita liuotettiin 70 °C:ssa, kunnes niiden massat määrittämällä voitiin todeta kaikkien liukene-

vien yhdisteiden poistuneen kappaleista. Kuvassa 20 ovat kolikkosarjan 4 kappaleet sintrauksen jäl-

keen.

Kappaleet hajosivat liuotuksen aikana huomattavasti vähemmän kuin edellisten sarjojen kappaleet,

eli PVA:n osuuden pienentäminen vaikuttaa toimivalta menetelmältä kappaleiden liuotuskestävyy-

den parantamiseksi. Kappaleista numero 3 katkaistiin jo ennen sintrausta SEM-tutkimuksia varten, ja

kuvassa 20 kolikon 6 alaosa oli jo ennen liuotuksia epätasainen ja rakoileva epätäydellisen valun

takia. Muotin epätäydellistä täyttymistä esiintyi edelleen tässä vaiheessa tutkimusta satunnaisesti,

vaikka suurin osa kappaleista saatiin valettua onnistuneesti. Koska metalliruiskuvaluun liittyy suuri

joukko parametreja ja toisaalta myös MIM-seosten koostumusta voidaan muuttaa paljon, voi valun

optimointi olla monimutkaista ja aikaa vievää.

Kuva 20. Kolikkosarjan 4 valmiit sintratut kappaleet. Ylärivi vasemmalta oikealle: 1-3, Alarivi vasemmalta

oikealle: 4-6. Kappale nro 3 katkaistiin ennen sintrausta SEM-tutkimuksia varten.

46

8.1.5. Kolikkosarjojen kappaleiden analysointi

PVA:ta yhdessä NaCl:n kanssa tilanvaraajana käyttämällä onnistuttiin valmistamaan huokoisia kap-

paleita, jotka olivat riittävän ehjiä tutkittaviksi SEM:lla. Kolikkosarjan 4 kappaleen 3 murtopintaa

tutkittiin SEM:lla, ja vertailun vuoksi vastaavia tutkimuksia tehtiin sarjan 1 kolikolle 4. Merkittävin

ero näiden kahden kappaleen välillä on käytetyn PVA:n määrässä: sarjan 1 kolikko 4 valmistettiin

käyttäen 3,6 m-% PVA:ta, kun taas sarjan 4 kolikon 3 valmistuksessa PVA:n osuus oli 2,0 m-%.

Liuotuksen aikana PVA laajenee ja aiheuttaa kappaleiden muotoon epäsäännöllisyyttä, joka säilyy

sintrauksessakin. Ennen liuotusta kappaleet olivat muodoltaan täydellisiä ympyröitä muotin mukai-

sesti, mutta liuotuksen jälkeen muoto on hieman vääntynyt. Muotoon voidaan vaikuttaa PVA:n

osuutta säätelemällä. Toinen piirre kappaleiden laadun tarkastelussa on huokosten jakauma kappa-

leessa. Molemmissa SEM-kuvatuissa kolikoissa huokoisuus on silminnähden korkeampaa yhdellä

kolikon reunoista (kuva 17 ja 20), mikä aiheuttaa rakenteen hajoamista tällä huokoisemmalla reu-

nalla. Tämä ilmiö oli varsin yleinen, vaikkakaan ei tarkoitushakuinen, kappaleita valettaessa, ja siihen

voidaan vaikuttaa ruiskuvalulaitteen parametreja (esimerkiksi painetta) muuttamalla.

Kuvassa 21 ovat kappaleista 50-kertaisella suurennoksella otetut SEM-kuvat. Kuva 21a on edellä

mainitusta, PVA:n suhteen 3,6 massaprosenttisesta kappaleesta ja kuva 21b vastaavasti 2,0 massa-

prosenttisesta kolikosta. Vertailun vuoksi kuvassa 21c on rakennetta huokoisesta kappaleesta, jonka

valmistuksessa on käytetty tilanvaraajana ainoastaan 15 massaprosenttia NaCl:a eikä lainkaan

PVA:ta.

PVA:ta käyttävien kappaleiden rakenteet ovat hyvin samankaltaiset: PVA aiheuttaa huokosrakentee-

seen epäsäännöllistä verkkomaisuutta. Yksittäisiä huokosia on vaikeaa, ellei mahdotonta identifioida.

Koska kuvat on otettu pienestä osasta yksittäisten kappaleiden murtopintaa, laajoja päätelmiä huo-

koisuudesta tai rakenteesta ei voi tehdä, mutta kuvan 21 perusteella vaikuttaisi siltä, että pienempi

PVA-pitoisuus tekee rakenteesta hieman tiiviimpää ja vähemmän huokoista, mikä on odotettavaa,

koska huokoisuusastekin on matalampi. Rakenne on kuitenkin huomattavan samankaltainen, vaikka

PVA:n osuutta laskettiin noin 44 prosentilla 3,6 massaprosentista 2,0 massaprosenttiin. On syytä huo-

mioida, että suuremmalla PVA-pitoisuudella valmistettu kolikko halkaistiin SEM-tutkimuksia varten

sintrauksen jälkeen ja vähemmän huokoinen jo ennen SEM:llä kuvaamista.

Kuvassa 21c nähtävä, pelkällä suolalla huokoiseksi tehty rakenne on selvästi järjestäytyneempää kuin

PVA:ta käyttäen valmistetuissa kappaleissa, ja suolakiteet jättävät jälkeensä selkeärajaiset huokoset.

Kuvattu kappale on suorakulmainen levy (muotti kuvassa 10a) levysarjasta L6 (taulukko 6), jollaisia

valettiin tribologisia tutkimuksia varten, ja se katkaistiin kuvauksia varten sintrauksen jälkeen.

47

8.1.6. Levymäisten kappaleiden valmistus tribologisia tutkimuksia varten

Seuraavaksi tutkimuksen painopistettä siirrettiin pyöreistä kappaleista kohti kappaleiden kestävyys-

ominaisuuksien testausta. Tribometrillä tehtäviä kitka- ja kulutustutkimuksia varten pyrittiin vala-

maan suorakulmaisia, levymäisiä kappaleita ja mekaanisten taivutusominaisuuksien mittausta varten

vetosauvoja. Koska 2,0 massaprosenttia PVA:ta osoittautui edellisessä kolikkosarjassa toimivaksi

osuudeksi kappaleiden eheyden kannalta, PVA:n osuus pidettiin ennallaan, mutta NaCl:n määrän vai-

kutusta tutkittiin tekemällä kolmesta seoksesta suolan suhteen 5-, 10- ja 15-massaprosenttiset. Kai-

kissa aiemmin valmistetuissa kappaleissa suolan osuus oli noin 30 m-%, joten matalampien määrien

a) b)

Kuva 21. 50-kertaisella suurennoksella otetut SEM-kuvat PVA:lla ja NaCl:lla huokoisiksi tehtyjen kappalei-

den murtopinnasta. a) Kolikkosarjan 1 nro 4 (3,6 m-% PVA ja 30 m-% NaCl); b) Kolikkosarjan 4 nro 3 (2,0

m-% PVA ja 30 m-% NaCl); c) Levysarjan L6 kappale (15 m-% NaCl).

c)

48

tutkimus oli johdonmukaista. Parafiinin osuus kaksinkertaistettiin taas 2,0 massaprosenttiin, sillä ve-

tosauvojen valmistaminen vaatii kapeamman ja pidemmän muotin takia juoksevampia seoksia. Tässä

vaiheessa tutkimusta kuva 10b vetosauvamuottia ei ollut vielä valmistettu, ja valettuja kappaleita ei

onnistuttu irrottamaan ehjinä muotista. Tutkimus keskittyi siis tässä kohdassa levymäisiin kappalei-

siin. Vertailulevysarjoja tehtiin kaksi: ensimmäinen pelkästä 316L:stä, toiseen lisättiin PVA ja para-

fiini, mutta ei suolaa. Kaikkien viiden levysarjan jauhekoostumukset sekä valuparametrit on esitetty

taulukossa 5.

Taulukko 5. Levysarjojen TL1 ja TL2 sekä L1-L3 täydelliset jauhekoostumukset ja valuparametrit. Sarjojen

nimet: TL1=tiiviit levyt 1, TL2=tiiviit levyt 2, LX=levysarja X, jossa X=1, 2, 3.

sarja määrä / kpl NaCl / % PVA / % parafiini / % T(sylinteri) / °C T(muotti) / °C p / bar t / s

TL1 8 0 0 0 190 60 450 3

TL2 7 0 2 2 210 60 300 3

L1 7 5 2 2 210 60 300 3

L2 9 10 2 2 210 60 300 3

L3 10 15 2 2 210 60 300 3

Pelkästä 316L:stä valmistetut TL1-sarjan kappaleet pysyivät odotetusti virheettöminä liuotuksessa,

mutta muissa sarjoissa tapahtui eriasteista kappaleiden hajoamista. Hajoamiseen liittyen liuotus-

ajoissa esiintyi vaihtelua: esimerkiksi sarjan L1 kappaleet olivat jo yhdeksän tunnin liuottamisen jäl-

keen niin hajonneita, että liuotuksen jatkaminen olisi ollut turhaa, sillä mitään analysointikelpoista

ainesta ei ollut mahdollista saada valmiiksi. Liuotuslämpötiloja laskettiin 70 °C:sta 50 ja 60 °C:seen

yhtäjaksoisten liuotusten pidentämisestä seuraavan veden liiallisen haihtumisen ehkäisemiseksi.

Vaikka sarjat TL2 ja L1-L3 eivät tuottaneet analyysikelpoisia kappaleita, niistä voidaan päätellä, että

korkeampi suolapitoisuus parantaa kappaleiden ehjinä säilymistä. Sarjojen L2 ja L3 kappaleet (10 ja

15 m-% NaCl) olivat keskimäärin eheämpiä kuin L1:n (5 m-% NaCl) kappaleet vaikka niiden liu-

otusaika oli yli kaksinkertainen L1:een verrattuna (liuotuslämpötila oli kuitenkin 10 °C matalampi).

Taulukon 5 levysarjoista sintrattiin lopulta vain TL1, sillä yhdestäkään lopuista sarjoista ei saatu riit-

tävää määrää ehjiä kappaleita tribologisiin tutkimuksiin. Sarjoista saatiin kuitenkin arvokasta tietoa:

jopa varsin ohuilla kappaleilla PVA:ta käytettäessä NaCl:n pitoisuuden kappaleessa täytyy olla kor-

kea, että kappale ei hajoa liuotuksen aikana.

Kaikki edellä esitellyt tutkimukset osoittavat PVA:n haasteellisuuden ruiskuvalettujen huokoisten

kappaleiden valmistuksessa. PVA laajenee veden vaikutuksesta, jolloin se ei pääse irtautumaan

metallikappaleesta rikkomatta kappaleen rakennetta, ellei riittävän korkealla suolapitoisuudella

nosteta kappaleen huokoisuutta ja näin luoda PVA:lle tilaa poistua kappaleesta. Laskemalla PVA:n

osuus niin matalaksi kuin suinkin mahdollista yhä säilyttäen PVA:n luoma tunnusomainen

49

verkkorakenne teräskappaleessa saadaan kappaleiden laatu ja liuotuskestävyys optimoitua. PVA:lla

luotu verkkorakenne tarjoaa avoimuutensa vuoksi pelkkää suolaa käyttäviä kappaleita paremmat

näkymät mahdollisissa sovelluksissa, jotka perustuvat nesteiden tai kaasujen läpivirtaukseen

huokoisessa teräskappaleessa.

8.2. Huokoisten 316L-kappaleiden tribologiset ominaisuudet

PVA osoittautui hankalaksi materiaaliksi huokoisten kappaleiden kestävyyden kannalta. Koska

ruiskuvalettujen huokoisten metallikappaleiden kestävyysominaisuuksia haluttiin kuitenkin päästä

tutkimaan, päätettiin PVA jättää toistaiseksi pois kappaleista ja muodostaa huokoset pelkällä

NaCl:lla.

Levysarjojen 4-6 jauhekoostumukset ja valuparametrit löytyvät taulukosta 6. Sarjat tehtiin samoin

kuin aiemmat sarjat 1-3, mutta PVA jätettiin pois ja parafiinin osuus laskettiin 2 massaprosentista 1

massaprosenttiin.

Taulukko 6. Levysarjojen L4-L6 täydelliset jauhekoostumukset ja valuparametrit. Sarjojen nimet: LX=levy-

sarja X, jossa X=4, 5, 6.

sarja määrä / kpl NaCl / % PVA / % parafiini / % T(sylinteri) / °C T(muotti) / °C p / bar t / s

L4 8 5 0 1 190 60 300 3

L5 6 10 0 1 190 60 300 3

L6 7 15 0 1 190 60 300 3

Kappaleita liuotettiin 50 ja 60 °C:ssa, kunnes niiden massa oli laskenut laskennalliseen arvoon tai

hyvin lähelle sitä. Kaikki kappaleet pysyivät täysin ehjinä liuotuksessa, mikä tukee käsitystä PVA:sta

liukenemisen yhteydessä tapahtuvan hajoamisen pääasiallisena aiheuttajana.

Kaikille neljälle levysarjalle suoritettiin kitka- ja kulumistutkimuksia tribometrillä käyttäen 1, 3, 5 ja

7 N:n painoja. Testi kullakin painolla kussakin sarjassa tehtiin kaksi kertaa (eri kappaleille), ja näistä

kahdesta testistä valittiin raportoitavaksi matka-liikekitkakerroin-kuvaajassaan vähemmän selkeitä

virhepisteitä sisältävä ja näin ollen helpommin tulkittavissa oleva mittaus. Yhteensä mittauksia tehtiin

32 kappaletta. Kuvassa 22 on piirretty mittausdatasta saadut liikekitkakertoimen arvot mittauksen

matkan funktiona käytetyn painon mukaan eriteltyinä. Kuhunkin kuvaan a-d on piirretty kaikkien

tutkittujen kappalelaatujen (0, 5, 10 ja 15 m-% NaCl) käyrät.

Kaikki kuvan 22 käyrät ovat muodoltaan lähellä toisiaan: liikekitkakertoimen arvo nousee 0,2:n tie-

tämiltä arvoon 1-1,2, josta se laskee tasaantuen lopulta välille 0,4-0,6. Kuljettu matka, jossa liikekit-

kakerroin saavuttaa korkeimman arvonsa, vaihtelee melko vähän painoilla 3 N, 5 N ja 7 N (kuvat

50

22b-d), kun taas 1 N:n (kuva 22a) tapauksessa vaihtelu on suurta noudattamatta nousevaa tai laskevaa

trendiä huokoisuuden mukaan. Käyrien nousu alkuarvosta huippuun selittyy mahdollisesti pinnan

hetkellisellä tasoittumisella35. Hankauksen jatkuessa tapahtuva liikekitkakertoimen vakiintuminen al-

haisempaan arvoon johtunee kulumisesta aiheutuvasta metallipinnan karhentumisesta sekä mahdol-

lisesti metallipartikkeleista, jotka toisiaan vasten hankaavien metallikappaleiden välissä pienentävät

kitkaa35. Selkeää syytä kitkakertoimen maksimiarvon saavutushetken vaihteluun on vaikeaa löytää.

Mahdollisesti 1 N:n paino on niin vähäinen, että pienetkin erot metallikappaleiden pintarakenteissa

aiheuttavat suuria eroja niiden kulumisnopeudessa. Korkeammilla painoilla vaihtelu kitkakertoimen

huippukohdan ja sitä seuraavan kertoimen arvon tasaantumisen sijainnin suhteen on huomattavasti

vähäisempää. Joissakin 1 N:n painolla tehdyissä rinnakkaismäärityksissä kitkakerroin ei koko mit-

tauksen aikana noussut yli 0,3:n, eikä piirtynyt hyvin tasainen ja vailla selvää huippukohtaa oleva

käyrä muistuttanut profiililtaan lainkaan muita mittauksia. Vastaavaa mittausten välistä vaihtelua ei

esiintynyt korkeampia painoja käytettäessä.

Liikekitkakerroin laskee hieman käytetyn painon noustessa. 1 N:n kuvaajassa kitkakerroin kaikilla

huokoisuuksilla asettuu ennen pitkää noin arvoon 0,55, kun taas 7 N:n tapauksessa kitkakerroinku-

vaajan tasainen osa asettuu noin 0,45:een. Tämäkin lasku johtunee metallipinnan karhentumisesta ja

kulutuksen seurauksena metallikappaleiden pinnasta irtoavasta jauhemaisesta metallista, joka toisi-

aan vasten hankaavien metallikappaleiden välissä vähentää kitkaa 35,44. Suuremmilla painoilla pinnan

kulutus on voimakkaampaa ja metallijauhetta irtoaa hankauksen seurauksena silminnähden enem-

män.

Sekä lepo- että liikekitkakerroin riippuvat usein paitsi toisiinsa kosketuksissa olevien kappaleiden

materiaalista, myös esimerkiksi liukumisnopeudesta tai ympäristön ja kappaleiden lämpötilasta ja

kosteudesta, joten tuloksia tulee verrata kirjallisuusarvoihin harkiten35. Kirjallisuudesta löytyvä liike-

kitkakertoimen arvo hiiliteräkselle, joka liukuu samasta materiaalista valmistettua vastakappaletta

vasten, on 0,57.45 Arvo on lähellä tämän tutkimuksen kokeellisia tuloksia ruostumattomalle teräk-

selle. Liikekitkakerroin huokoisille kappaleille on hieman matalampi kuin kiinteille kappaleille,

mutta datapisteiden suuren hajonnan vuoksi tarkkaa eroa on vaikeaa määrittää.

Tribologisissa tutkimuksissa käytettyjen kappaleiden massat määritettiin ennen ja jälkeen tutkimus-

ten. Ainut trendi, joka massoista on nähtävissä, on massan laskun nouseminen käytetyn painon kas-

vaessa. Huokoisuuden kasvulla ei havaittu olevan vaikutusta kappaleiden massan laskun suuruus-

luokkaan.

51

Tribologisten tutkimusten jälkeen kappaleita tutkittiin vielä SEM:llä. Kuvassa 23 on esimerkiksi 40-

kertaisella suurennoksella otetut kuvat tiiviistä huokosettomasta kappaleesta (a) sekä 5, 10 ja 15 mas-

saprosentilla NaCl:a huokoiseksi tehdystä kappaleesta (b-d). Näiden kappaleiden tutkimuksessa käy-

tettiin 7 N:n painoa, joten kuvien keskellä nähtävät tribometrin aiheuttamat kulutusurat ovat leveim-

piä tutkimuksessa havaittuja, sillä kulutusurien leveys kasvoi painoa lisättäessä. Kuvassa 23 kulu-

tusurien leveydet on mitattu kolmesta kohdasta, ja merkittävää eroa huokosettoman kappaleen ja huo-

koisten kappaleiden kulutusurien leveyksien välillä ei havaita, kuten ei havaittu koko mittaussarjojen

kappaleiden välillä millään käytetyllä painolla. Kulutusuran leveys ei myöskään kasva tai laske huo-

koisuuden kasvaessa, sillä 7 N:n painolla kuvan 23 kappaleilla leveimmät urat ovat 5 ja 10 massapro-

senttia natriumkloridia sisältäneillä kappaleilla. Ainoa huomattava trendi on siis kulutusuran levey-

den kasvu käytetyn painon kasvaessa.

a) b)

c) d)

Kuva 22. Tribologilla tiiviille ja huokoisille 316-kappaleille määritetyt liikekitkakertoimen (µk) arvot mat-

kan (m) funktiona. Huokoisuus on ilmaistu huokosten muodostajana käytetyn NaCl:n massaprosenttisen

osuuden mukaan. Kuhunkin kuvaajaan on koottu käyrät kullekin huokoisuudelle käytetyllä painolla. a) 1 N;

b) 3 N; c) 5 N; d) 7 N.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 20 40 60 80 100

µk

matka / m

1 N

tiivis

5 m-%

10 m-%

15 m-%0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 20 40 60 80 100

µk

matka / m

3 N

tiivis

5 m-%

10 m-%

15 m-%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 20 40 60 80 100

µk

matka / m

5 N

tiivis

5 m-%

10 m-%

15 m-%0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 20 40 60 80 100

µk

matka / m

7 N

tiivis

5 m-%

10 m-%

15 m-%

52

Kuva 24 esittää korkeammilla suurennoksilla otettuja SEM-kuvia yksittäisistä huokosista tribologis-

ten tutkimusten jälkeen. Kuvassa 24a on 400-kertainen suurennos huokoisesta kappaleesta, jonka val-

mistuksessa käytettiin 15 massaprosenttia NaCl:a. Tribologin käyttämä paino oli 3 N. Huokonen si-

jaitsee kulutusuran reunalla siten, että noin puolet huokosesta (vasen puoli) ei ole altistunut kulutuk-

selle. Kuvasta nähdään, kuinka huokosen kulutusuran puoleiset seinämät ovat hajonneet hankauksen

vaikutuksesta; seinämät ovat huomattavasti epätasaisempia ja teräväpiirteisempiä huokosen oikealla

reunalla vasempaan reunaan verrattuna. Viereisen kuvan 24b suurennos on 200-kertainen, eli

huokonen on todellisuudessa kooltaan noin kaksinkertainen kuvan 24a huokoseen verrattuna. Kuvan

24b huokonen on nähtävissä kuvan 23c kulutusuran oikeassa reunassa, eli se sijaitsee kokonaan ku-

lutusuran sisäpuolella. Kappale valmistettiin käyttämällä 10 massaprosenttia NaCl:a, ja tribologisessa

a) b)

Kuva 23. 40-kertaisella suurennoksella otetut SEM-kuvat tiiviistä 316L-kappaleesta ja NaCl:n avulla huo-

koiseksi tehdyistä 316L-kappaleista tribologisten mittausten jälkeen. a) 0 m-% NaCl; b) 5 m-% NaCl; c) 10

m-% NaCl; d) 15 m-% NaCl. Käytetty paino on 7 N. Kuvien keskellä on tribometrin synnyttämä kulutusura,

jonka leveys on mitattu kolmesta kohdasta kullekin näytekappaleelle.

c) d)

53

mittauksessa käytettiin 7 N:n painoa. Huokosen reunat ovat kauttaaltaan rosoisen epätasaisia, ja huo-

kosen pohjalla oikeassa reunassa näkyy mittauksen aikana luhistuneita rakenteita. Huokonen on pääl-

täpäin katsottuna ollut todennäköisesti läpimitaltaan pienempi ennen tribologista tutkimusta, jonka

aikana kuluttava hankaus on ”paljastanut” huokosen paremmin metallipinnan sorruttua. Tämä voi

olla hyödyllistä joissakin sovellutuksissa, esimerkiksi itsevoitelevissa laakereissa, joissa metalliosien

kuluminen vapauttaa voiteluainetta metallikappaleen sisältä pintaosiin40.

8.3. Huokoisten 316L-kappaleiden mekaaniset ominaisuudet

Pelkän NaCl:n käyttö huokosten muodostajana tribologisia tutkimuksia varten valetuissa kappaleissa

osoittautui toimivaksi keinoksi valmistaa analyysikelpoisia huokoisia kappaleita, joten samaa lähes-

tymistapaa käytettiin mekaaniseen testaukseen soveltuvia vetosauvoja valettaessa. Tutkimuksen vii-

meisenä valusarjana valmistettiin vetosauvamuotilla kappaleita taivutuskokeita varten. Sauvasarjat

ovat materiaalikoostumukseltaan täysin samoja kuin levysarjat 4-6; vain valuparametreissa on eroa,

sillä kapeamman ja pidemmän sauvamuotin täyttäminen vaatii korkeampaa painetta ja/tai aikaa. Sar-

jojen sisällä parametrit pyrittiin pitämään vakioina, mutta niissäkin esiintyy vähäistä vaihtelua muotin

optimaalisen täyttymisen varmistamisen vuoksi. Vetosauvasarjojen jauhekoostumukset ja valupara-

metrit on esitetty taulukossa 7. Edellä mainituista muotin muotoon liittyvistä syistä sauvasarjoja va-

lettaessa ruiskuvaluprosessia jouduttiin parametrisoimaan enemmän kuin muiden sarjojen tapauk-

sessa. Painetta ja aikaa laskettiin tiiviiden sauvojen ja S1-sarjan ensimmäisen kolmen kappaleen va-

lamisen jälkeen, sillä kappaleiden pinnassa oli huomattavasti palamisjälkiä. Myöhemmin painetta ja

aikaa jouduttiin taas nostamaan, että muotti saataisiin täytettyä alaosaan asti MIM-materiaalilla.

a) b)

Kuva 24. SEM-kuvat huokoisista 316L-kappaleista tribologisten mittausten jälkeen. a) 400-kertainen suuren-

nos 15 m-% NaCl:lla huokoiseksi tehdystä kappaleesta tribologin käytettyä 3 N:n painoa; b) 200-kertainen

suurennos 10 m-% NaCl:lla huokoiseksi tehdystä kappaleesta tribologin käytettyä 7 N:n painoa.

54

Taulukko 7. Sauvasarjojen TS ja S1-S3 täydelliset jauhekoostumukset ja valuparametrit. Sarjojen nimet:

TS=tiiviit sauvat, SX=sauvasarja X, jossa X=1, 2, 3.

sarja määrä/kpl NaCl / % parafiini / % T(sylinteri) / °C T(muotti) / °C p / bar t / s

TS 9 0 1 215 80 560 8

S1 11 5 1 215 80 450-560 3-8

S2 10 10 1 215 60-80 450 3

S3 12 15 1 215 70-80 450-560 6

Kuvan 25 kappaleet ovat sauvasarjasta 3, eli testien huokoisimmasta sarjasta. Etualalla on vertailun

vuoksi suora taivuttamaton kappale ja takana vastaava sauva taivutustestin suorittamisen jälkeen.

Taivutettu kappale on kuvassa ylösalaisin taivutussuuntaan nähden, jotta taipumisen määrä havain-

nollistuu parhaiten. Koska kaikkien mittausten loppupisteeksi asetettiin 2,25 mm:n venymä ja kappa-

leiden dimensiot ovat lähellä toisiaan, taivutettujen kappaleiden muodoissa (edes eri sarjojen välillä)

toisiinsa verrattuina ei ole merkittävää eroa.

Kuva 26 esittää taivutustestien tulokset ryhmiteltyinä sarjoittain huokoisuuden kasvaessa kuvasta a

kuvaan d. Kuvissa on esitetty mitattu jännitys (N/mm2) venymän (mm) funktiona. Kuten aiemmin

todettiin, mittaukset määritettiin päättyväksi x-akselille asetetun venymän saavuttaessa arvon 2,25

mm. Mittaukset tehtiin kussakin sarjassa neljälle tai viidelle kappaleelle: kahdessa huokoisemmassa

sarjassa mittauksia tehtiin viisi, koska käyrien muodossa oli havaittavissa enemmän hajontaa kuin

vähemmän huokoisilla kappaleilla.

Kuten kuvasta 26a voi nähdä, tiiviiden ei-huokoisten kappaleiden tulokset vastaavat toisiaan erittäin

hyvin, eikä vaihtelua kulmakertoimessa tai jännityksen maksimiarvossa juurikaan ole. Huokoisilla

kappaleilla (kuvat 26b-d) vaihtelua esiintyy enemmän, joskin tulokset sarjojen sisällä ovat edelleen

varsin lähellä toisiaan. Jännityksen saavuttamassa korkeimmassa arvossa on enemmän hajontaa huo-

koisilla kuin tiiviillä kappaleilla. Testimittaukset on järjestetty siten, että mittaus päättyy 2,25 mm:n

venymään, eli mittauksissa kappaleet eivät saavuta niin sanottua murtumispistettä (fracture point,

rupture point). Käyrien kulmakertoimien suhteen hajonta on vähäisempää, joskin pääosin suurempaa

Kuva 25. Sauvasarjan 3 (15 m-% NaCl) suora taivuttamaton kappale (etualalla) sekä taivutustestattu kap-

pale.

55

kuin huokosettomilla sauvoilla. Suuremmat erot selittyvät huokoskoon ja huokosten sijainnin vaihte-

lulla: ruiskuvalamalla on erittäin vaikeaa valmistaa kappaleita, jotka olisivat keskenään huokoisuuden

suhteen täydellisen tasalaatuisia.

Erään sauvasarjan 3 (15 m-% NaCl) kappaleen taivutuskestävyyttä tutkittiin asettamalla se taivutus-

testiin useita kertoja peräkkäin. Jokaisen testauksen jälkeen kappale suoristettiin vasaran avulla ennen

seuraavaa testiä. Kappaleen huomattiin kestävän katkeamatta ainakin viisi peräkkäistä taivutusta,

mahdollisesti useampiakin, jos testiä olisi jatkettu katkeamiseen asti.

Taivutuslaitteen tietokoneohjelmiston määrittämistä taivutuskimmokertoimen (elastisuusmoduuli,

Youngin moduuli) arvoista kullekin mittaukselle laskettiin jokaiselle mittaussarjalle keskiarvo, ja

nämä keskiarvot kasvavan huokoisuuden funktiona on esitetty kuvassa 27a. Virhepalkit edustavat

0

50

100

150

200

250

300

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25

Jän

nit

ys /

N/m

m2

Venymä / mm

5 m-%

5 m-% 1

5 m-% 2

5 m-% 3

5 m-% 4

0

50

100

150

200

250

300

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25

Jän

nit

ys /

N/m

m2

Venymä / mm

10 m-%

10 m-% 1

10 m-% 2

10 m-% 3

10 m-% 4

10 m-% 5

0

50

100

150

200

250

300

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25

Jän

nit

ys /

N/m

m2

Venymä / mm

15 m-%15 m-% 1

15 m-% 2

15 m-% 3

15 m-% 4

15 m-% 5

a) b)

c) d)

Kuva 26. Tiiviiden ja huokoisten 316L-kappaleiden taivutusjännitys (N/mm2) venymän (mm) funktiona. Huo-

koisuus on ilmaistu huokosten muodostajana käytetyn NaCl:n massaprosenttisen osuuden mukaan. a) tiivis,

0 m-% NaCl; b) 5 m-% NaCl; c) 10 m-% NaCl; d) 15 m-% NaCl.

0

50

100

150

200

250

300

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25

Vo

ima

/ N

/mm

2

Venymä / mm

0 m-%

tiivis 1

tiivis 2

tiivis 3

tiivis 4

56

keskiarvojen keskivirheitä. Virheet ovat vähäisiä, joskin kasvavat hieman huokoisuuden kasvaessa;

isoin virhe on sarjassa, joka valmistettiin käyttäen 10 m-% NaCl:a. Tämä selittyy sauvan numero 2

käyrällä, jonka voi kuvassa 26c (harmaa käyrä) nähdä poikkeavan muodoltaan melko merkittävästi

muista käyristä. Kimmokerroin laskee huokoisuuden kasvaessa, ja datapisteisiin asetettu lineaarinen

sovitus kuvaa laskua hyvin korrelaatiokertoimen ollessa noin 0,90. Näyttää kuitenkin siltä, että 15 m-

% NaCl -kohdalla kimmokertoimen keskiarvo on laskenut selvästi enemmän edellisestä arvosta kuin

muilla huokoisuusväleillä, joten mahdollisesti huokoisuuden yhä kasvaessa kimmokertoimen lasku

kiihtyy. Eri huokoisuuksien otanta tutkimuksessa on kuitenkin niin pieni, että ilman jatkotutkimuksia

luotettavaa johtopäätöstä kimmokertoimen muutoksesta korkeammilla huokoisuusasteilla ei voi esit-

tää. Matalampi kimmokerroin tarkoittaa materiaalin alhaisempaa kykyä vastustaa taivuttaa voimaa,

joten kimmokertoimen lasku huokoisuuden kasvaessa on johdonmukaista ja odotettua. Taivutuskim-

mokertoimen keskiarvo laskee huokoisuuden funktiona arvosta noin 24800 N/mm2 noin 18500

N/mm2:iin eli kimmokertoimen vaihteluväli on noin 18,5-24,8 GPa. Esimerkiksi pienitiheyksiselle

polyeteenille (LDPE) taivutusmoduuli on 0,25 GPa ja suuritiheyksiselle polyeteenille (HDPE) 1,25

GPa. Vastaavasti polypropeenin (PP) taivutusmoduuli on 2,0 GPa. Tutkimuksen aikana valmistetut

huokoisimmatkin 316L-kappaleet kestävät taivutusvoimia moninkertaisesti paremmin kuin nämä

yleisesti käytetyt polymeerilaadut.46 Kirjallisuudesta löytyvä 316L:n Youngin moduuli on 185 GPa.

Tämä arvo on todennäköisesti määritetty vetotestissä, mikä selittää suuren eron tämän tutkimuksen

taivutustesteistä saatuihin Youngin moduulin arvoihin.40

Kuvan 27b datapisteet edustavat mittaussarjojen kappaleiden testin aikana kokemien maksimitaivu-

tusvoimien (Rm) keskiarvoja huokoisuuden funktiona. Tässäkin kuvassa virhepalkit edustavat kes-

kiarvojen keskivirheitä. Kuvan 27b datapisteet vastaavat kuvan 26 käyrien huippujen keskiarvoja

kussakin kuvassa a-d, jotka löytyvät lähes poikkeuksetta venymän arvolla 2,25 mm, eli mittauksen

päätepisteestä. Koska mittaus on määritetty päättyväksi tässä arvossa, ei ole lainkaan sanottua, että

jatkamalla taivutusta maksimivoima ei kohoaisi edelleen saavuttaen yhä korkeampia arvoja, joten

mittausten Rm-arvot ovat verrannollisia vain toisiinsa tämän tutkimuksen puitteissa, eivätkä kuvaa

tutkittujen kappaleiden kokemaa maksimijännitystä äärimmilleen viedyssä taivutustestissä.

Lineaarinen sovitus kuvaa datapisteitä suoralla erittäin hyvin: korrelaatiokerroin on peräti 0,99. Mak-

simivoima laskee lineaarisesti huokoisuuden kasvaessa ja tukee viereisestä kimmokerroinkuvaajasta

(kuva 27a) nähtävää trendiä ja siitä tehtävää päätelmää: mitä huokoisempi kappale, sitä heikommin

se vastustaa taivutusvoimia. Vaikka kimmokerroin ja taivutusvoima laskevat kasvavan huokoisuuden

funktiona, huokoisimmatkin kappaleet pysyivät murtumattomina taivutustestissä, ja kuten edellä esi-

teltiin, huokoisinkin kappalelaatu kestää toistuvia taivutustestejä. Tämä kestävyys voi osoittautua ar-

vokkaaksi sovelluksissa, joissa rakennemateriaaliin kohdistuu toistuvia taivutusvoimia. Sovellusten

kannalta olennaista on löytää sopiva kompromissi materiaalin keveyden ja taivutuskestävyyden vä-

lillä.

57

R² = 0,9001

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 5 10 15

Kim

mo

kerr

oin

/ N

/mm

2

m-% NaCl

R² = 0,99

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15

Rm

/ N

/mm

2

m-% NaCl

a) b)

Kuva 27. Kimmokertoimen sekä maksimivoiman (Rm) keskiarvo huokoisuuden (joka on esitetty tilanvaraajana

käytetyn NaCl:n massaprosenttisena osuutena) funktiona. a) Kimmokerroin (N/mm2) huokoisuuden funktiona;

b) maksimivoima (N/mm2) huokoisuuden funktiona. Virhepalkit molemmissa kuvissa edustavat keskiarvojen

keskivirheitä. Huom. pystyakselien suuruusluokka.

58

9. Johtopäätökset

PVA:n käyttö metallien ruiskuvalussa huokosten muodostajana on mielenkiintoinen vaihtoehto, sillä

PVA tekee huokosrakenteesta verkottuneempaa kuin esimerkiksi pelkkää suolaa käyttämällä saadaan

valmistettua, mistä voi olla hyötyä esimerkiksi kappaleen läpäisevyyttä hyödyntävissä sovelluksissa.

Valitettavasti PVA:n laajentuminen liuotusvaiheessa veden vaikutuksesta aiheuttaa ongelmia

metallikappaleiden rakenteen kestävyydelle, eikä kappaleiden dimensioilla havaittu olevan

huomattavaa vaikutusta niiden liuotuskestävyyteen. Riittävän korkea suolapitoisuus yhdistettynä

verraten matalaan PVA-pitoisuuteen tuotti kuitenkin lupauksia herättävän eheitä kappaleita. 2,0

massaprosenttia PVA:ta riitti tunnusomaisen verkkomaisen huokosrakenteen synnyttämiseksi, joten

PVA:n osuuden pienentäminen yhä edelleen on mielenkiintoinen vaihtoehto jatkotutkimuksia

ajatellen. PVA:n osuuden laskeminen edelleen saattaa toisaalta mahdollistaa matalamman suolan

osuuden käytön. Tämän tutkimuksen puitteissa käytettiin suolaa massaprosenteilla alle 15 ja

korkeimmillaan 30, joten esimerkiksi näiden väliin tasaisesti asettuvat 20 ja 25 massaprosenttia

olisivat myös tutkimusta vaativia jauhekoostumuksia. Toisaalta käytetty suolan määrä riippuu

kulloinkin halutusta ja mahdollisen sovelluksen kannalta tarpeellisesta materiaalin

huokoisuusasteesta, keveydestä ja kestävyydestä.

Liutuslämpötilan parametrisointiin ei tutkimuksen puitteissa juurikaan paneuduttu, mutta käytetyllä

lämpötilalla välillä 50-70 °C ei vaikuttanut olevan huomattavaa vaikutusta liuotuksen onnistumiseen

PVA:ta sisältävien kappaleiden tapauksessa. 70 °C:ssa vaaditun liuotusajan huomattiin olevan jopa

yli 12 tuntia.

Liuotuslaitteiston magneettisekoittajan sekoitusnopeuden vaikutusta PVA:ta käyttävien kappaleiden

hajoamistaipumukseen ei tutkittu. Sekoitus on tarpeellista lämpötilan tasaisuuden takaamiseksi ja

näytekappaleiden huokosiin suuntautuvan veden virtauksen mahdollistamiseksi, mutta koska PVA:n

käyttö on osoittautunut monin tavoin herkäksi prosessiksi, eri sekoitusnopeuksien mahdollista

vaikutusta olisi mielenkiintoista tutkia.

Tässä tutkimuksessa käytetyn PVA:n molekyylimassa on 31 000 – 50 000 g/mol, ja eräs mahdollinen

tutkimussuuntaus olisi kokeilla valmistaa vastaavia metallikappaleita ketjunpituudeltaan

lyhyemmällä tai pidemmällä PVA:lla. Käytetyn suolan raekokoa tutkittiin hieman kappaleiden

valettavuuden ja liuotuskestävyyden näkökulmasta, mutta tarkempi paneutuminen suolan koon

merkitykseen kappaleiden huokosten kokoon ja rakenteeseen, etenkin myös PVA:ta käytettäessä, jää

tulevien tutkimusten varaan. Yleisesti ottaen ruiskuvalamiseen liittyy paljon erilaisia parametreja, ja

tutkimuksen ajalliset rajoitteet estivät syvällisen parametrisoinnin.

Työskentelystä löytyy joitakin kehityskohteita. Tutkimuksen alkuvaiheessa ruiskuvalulaitteen

parametreja olisi voinut muuttaa enemmän kappaleiden tasalaatuisuuden varmistamiseksi.

Jälkikäteen tarkasteluna PVA:n pitoisuutta kappaleissa olisi kannattanut laskea jo aikaisemmin,

esimerkiksi kolikkosarjojen 2 ja 3 välillä, sillä hieman ohuemmat kappaleet ja kaksinkertainen

parafiinipitoisuus eivät edistäneet kappaleiden liuotuskestävyyttä. Muutamissa alkupään

59

valusarjoissa valettu kappalemäärä olisi voinut olla korkeampi johtopäätösten tekemisen

helpottamiseksi. Käytetyn NaCl:n määrässä eri kolikkosarjojen välillä esiintyy vähäistä vaihtelua:

sarjoissa 1 ja 4 natriumkloridia käytettiin noin 30 massaprosenttia kokonaismassasta, kun taas

sarjoissa 2 ja 3 NaCl:n osuus oli noin 31 massaprosenttia. Kappaleiden laadun ja

liutouskäyttäytymisen perusteella on perusteltua olettaa, että vaihtelulla on hyvin vähäistä merkitystä

tutkimuksen kannalta.

Päätös PVA:n jättämisestä tutkimuksen keskivaiheilla mahdollisti mekaaniseen testaamiseen

soveltuvien kappaleiden valmistamisen. Tribologisten mittausten aloittaminen matalilla painoilla oli

johdonmukaista, mutta korkeampien painojen testaaminen jäi aikarajoitteista johtuen tekemättä, mikä

avaa selvän mahdollisuuden jatkotutkimukselle. Tribometrin antamat tulokset ovat helposti

tulkittavissa, vaikkakin datapisteiden hajonta on melko suurta. Käytetyillä painoilla ja

huokoisuuksilla ei saatu merkittäviä eroja erilaatuisten kappalesarjojen tuloksiin. 1N:n paino aiheutti

odottamattonta vaihtelua tuloksissa jopa saman sarjan identtisille näytteille, minkä syytä ei ole

helppoa selvittää. Tulevaisuudessa olisi mielenkiintoista tutkia tribometrilla kappaleita, joiden

huokoisuutta on kasvatettu entisestään lisäämällä suolan massaprosenttista osuutta tai jopa

käyttämällä PVA:ta, jos riittävän ehjiä kappaleita onnistutaan valmistamaan. Tribometrin vaatimien

kappaleiden paksuus on noin puolet tässä tutkimuksessa valmistetuista paksuista, melko ehjistä

pyöreistä kappaleista (kolikkosarja 4, kuva 20), ja koska kappaleen ohuus saattaa edesauttaa PVA:n

irtoamista kappaleesta rikkomatta sen rakennetta, ovat tulokset tulevaisuuden kannalta lupaavia.

Taivutustesteissä huokoisuuden vaikutus kappaleiden kestävyyteen ilmenee selkeämmin kuin

tribologisissa testeissä. Tuloksista on nähtävissä selkeä trendi laskevasta kestävyydestä huokoisuuden

kasvaessa, jonka jatkuvuutta voisi tutkia jatkossa nostamalla ensisijaisesti kappaleiden huokoisuutta

suolapitoisuutta lisäämällä ja mahdollisesti myöhemmin PVA:takin käyttämällä. Taivutustestit

osoittivat, että vaikka 316L-kappaleiden kimmokerroin laskee huokoisuuden kasvaessa,

huokoisimmatkin kappaleet kestivät hyvin jopa lukuisia peräkkäisiä taivutuksia, mikä on

mielenkiintoista ja mahdollisesti arvokasta tietoa materiaalin jatkuvaan liikkeeseen altistavien

sovellusten kannalta.

Taivutustestien lisäksi kappaleiden vetolujuutta olisi mielekästä tutkia, tosin se voi vaatia kappaleiden

huokoisuuden merkittävää lisäystä, sillä testilaitteiston voima ei välttämättä riitä katkaisemaan

kiinteitä tai huokoisuusasteeltaan matalia kappaleita.

60

10.Viitteet

(1) Cobb, H. M. Dictionary of Metals; ASM International: Materials Park, 2012; pp vii, xi–xv.

(2) Nakajima, H. Fabrication, Properties and Application of Porous Metals with Directional Pores. Prog. Mater. Sci. 2007, 52 (7), 1091–1173.

(3) Lefebvre, L.-P.; Banhart, J.; Dunand, D. C. Porous Metals and Metallic Foams: Current Status and Recent Developments. Adv. Eng. Mater. 2008, 10 (9), 775–787.

(4) Qin, J.; Chen, Q.; Yang, C.; Huang, Y. Research Process on Property and Application of Metal Porous Materials. J. Alloys Compd. 2016, 654, 39–44.

(5) Ramamurty, U.; Paul, A. Variability in Mechanical Properties of a Metal Foam. Acta Mater. 2004, 52 (4), 869–876.

(6) Jang, W. Y.; Hsieh, W. Y.; Miao, C. C.; Yen, Y. C. Microstructure and Mechanical Properties of ALPORAS Closed-Cell Aluminium Foam. Mater. Charact. 2015, 107, 228–238.

(7) Liu, P. S.; Chen, G. F. Porous Materials Processing and Applications, 1st ed.; Butterworth-Heinemann: Boston, 2014.

(8) Guan, D.; Wu, J. H.; Wu, J.; Li, J.; Zhao, W. Acoustic Performance of Aluminum Foams with Semiopen Cells. Appl. Acoust. 2015, 87, 103–108.

(9) García-Moreno, F. Commercial Applications of Metal Foams: Their Properties and Production. Materials (Basel). 2016, 9 (2), 20–24.

(10) Banhart, J. Manufacture, Characterisation and Application of Cellular Metals and Metal Foams. Progress in Materials Science. 2001.

(11) Patel, P.; Bhingole, P. P.; Makwana, D. Manufacturing, Characterization and Applications of Lightweight Metallic Foams for Structural Applications: Review. Mater. Today Proc. 2018, 5 (9), 20391–20402.

(12) Ashby, M. F. Metal Foams: A Design Guide, 1st ed.; Butterworth-Heinemann: Boston, 2000.

(13) Yang, D. H.; Hur, B. Y.; Yang, S. R. Study on Fabrication and Foaming Mechanism of Mg Foam Using CaCO3 as Blowing Agent. J. Alloys Compd. 2008, 461 (1–2), 221–227.

(14) Pulagara, N. V.; Saini, S.; Dondapati, R. S. A Study of Manufacturing and Mechanical Properties of Mg-Foam Using Dolomite as the Blowing Agent: A Review. 2015, 4 (1), 7–10.

(15) Gonzalez Nava, M.; Cruz-Ramirez, A.; Suarez Rosales, M. A.; Gutierrez-Perez, V. H.; Sanchez-Martinez, A. Fabrication of Aluminum Alloy Foams by Using Alternative Thickening Agents via Melt Route. J. Alloys Compd. 2017, 698, 1009–1017.

(16) Papantoniou, I. G.; Pantelis, D. I.; Manolakos, D. E. Powder Metallurgy Route Aluminium Foams: A Study of the Effect of Powder Morphology, Compaction Pressure and Foaming Temperature on the Porous Structure. Procedia Struct. Integr. 2018, 10, 243–248.

(17) Smith, B. H.; Szyniszewski, S.; Hajjar, J. F.; Schafer, B. W.; Arwade, S. R. Steel Foam for Structures: A Review of Applications, Manufacturing and Material Properties. J. Constr. Steel Res. 2012, 71, 1–10.

61

(18) Ung, J.; Jik, S.; Kyo, S.; Cho, C. Impact Fracture Behavior at the Material of Aluminum Foam. Mater. Sci. Eng. A 2012, 539, 250–258.

(19) Wu, S.; Liu, X.; Yeung, K. W. K.; Liu, C.; Yang, X. Biomimetic Porous Scaffolds for Bone Tissue Engineering. Mater. Sci. Eng. R 2014, 80, 1–36.

(20) Ryan, G.; Pandit, A.; Apatsidis, D. P. Fabrication Methods of Porous Metals for Use in Orthopaedic Applications. Biomaterials 2006, 27 (13), 2651–2670.

(21) Geetha, M.; Singh, A. K.; Asokamani, R.; Gogia, A. K. Ti Based Biomaterials, the Ultimate Choice for Orthopaedic Implants - A Review. Prog. Mater. Sci. 2009, 54 (3), 397–425.

(22) Wang, C.; Chen, H.; Zhu, X.; Xiao, Z.; Zhang, K.; Zhang, X. An Improved Polymeric Sponge Replication Method for Biomedical Porous Titanium Scaffolds. Mater. Sci. Eng. C 2017, 70, 1192–1199.

(23) Kim, D. H.; Yu, B. Y.; Cha, P. R.; Yoon, W. Y.; Byun, J. Y.; Kim, S. H. A Study on FeCrAl Foam as Effective Catalyst Support under Thermal and Mechanical Stresses. Surf. Coatings Technol. 2012, 209, 169–176.

(24) Chin, P.; Sun, X.; Roberts, G. W.; Spivey, J. J. Preferential Oxidation of Carbon Monoxide with Iron-Promoted Platinum Catalysts Supported on Metal Foams. Appl. Catal. A Gen. 2006, 302 (1), 22–31.

(25) Pestryakov, A. N.; Yurchenko, E. N.; Feofilov, A. E. Foam-Metal Catalysts for Purification of Waste Gases and Neutralization of Automotive Emissions. Catal. Today 1996, 29 (1–4), 67–70.

(26) Kolaczkowski, S. T.; Awdry, S.; Smith, T.; Thomas, D.; Torkuhl, L.; Kolvenbach, R. Potential for Metal Foams to Act as Structured Catalyst Supports in Fixed-Bed Reactors. Catal. Today 2016.

(27) Bienvenu, Y. Application and Future of Solid Foams. Comptes Rendus Phys. 2014, 15 (8–9), 719–730.

(28) Kim, S.; Lee, C.-W. A Review on Manufacturing and Application of Open-Cell Metal Foam. Procedia Mater. Sci. 2014, 4, 305–309.

(29) Giani, L.; Groppi, G.; Tronconi, E. Heat Transfer Characterization of Metallic Foams. Ind. Eng. Chem. Res. 2005.

(30) Tan, W. C.; Saw, L. H.; Thiam, H. S.; Xuan, J.; Cai, Z.; Yew, M. C. Overview of Porous Media/Metal Foam Application in Fuel Cells and Solar Power Systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier Ltd 2018, pp 181–197.

(31) Otaru, A. J. Enhancing the Sound Absorption Performance of Porous Metals Using Tomography Images. Appl. Acoust. 2019, 143, 183–189.

(32) Lu, T. J.; Chen, F.; He, D. Sound Absorption of Cellular Metals with Semiopen Cells. J. Acoust. Soc. Am. 2000.

(33) Yuan, W.; Tang, Y.; Yang, X.; Wan, Z. Porous Metal Materials for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells - A Review. Appl. Energy 2012, 94, 309–329.

(34) Song, T.; Yan, M.; Qian, M. The Enabling Role of Dealloying in the Creation of Specific

62

Hierarchical Porous Metal Structures—A Review. Corros. Sci. 2018, 134 (February), 78–98.

(35) Bhushan, B. Introduction to Tribology, 2nd ed.; John Wiley & Sons: New York, 2013.

(36) Elmoutaouakkil, A.; Salvo, L.; Maire, E.; Peix, G. 2D and 3D Characterization of Metal Foams Using X-Ray Tomography.

(37) Liang, X.; Wu, J. H.; Zhou, G. Quantitative Analysis for Acoustic Characteristics of Porous Metal Materials by Improved Kolmogorov ’ s Turbulence Theory. Appl. Acoust. 2018, 130 (July 2017), 210–215.

(38) Otaru, A. J.; Morvan, H. P.; Kennedy, A. R. Numerical Modelling of the Sound Absorption Spectra for Bottleneck Dominated Porous Metallic Structures. Appl. Acoust. 2019, 151, 164–171.

(39) Guan, D.; Wu, J. H.; Jing, L. A Statistical Method for Predicting Sound Absorbing Property of Porous Metal Materials by Using Quartet Structure Generation Set. J. Alloys Compd. 2015, 626, 29–34.

(40) Heaney, D. F. Handbook of Metal Injection Molding, 1st ed.; Woodhead Publishing Limited: Cambridge, 2012.

(41) Sorsa, J. Materiaalitekniikka, 1st ed.; Sanoma Pro Oy: Helsinki, 2015.

(42) Teräs. Aineenkoetusstandardit. Osa 1: Veto-, Isku- Ja Taivutuskokeet 2008, 6th ed.; Suomen Standardisoimisliitto SFS RY: Helsinki, 2008.

(43) Chen, G.; Cao, P.; Wen, G.; Edmonds, N. Debinding Behaviour of a Water Soluble PEG/PMMA Binder for Ti Metal Injection Moulding. Mater. Chem. Phys. 2013, 139 (2–3), 557–565.

(44) Chowdhury, M. A.; Khalil, M. K.; Nuruzzaman, D. M.; Rahaman, M. L. The Effect of Sliding Speed and Normal Load on Friction and Wear Property of Aluminum. Int. J. Mech. Mech. Eng. 2011.

(45) CRC Handbook of Chemistry and Physics, 91st ed.; Haynes, W. M., Ed.; CRC Press: Boca Raton, 2010.

(46) Crompton, T. R. Physical Testing of Plastics, 1st ed.; Smithers Rapra Technology Ltd: Shawbury, 2012.