Alumiinin ominaisuudet: tiheys, sulamispiste ja korroosio

Alumiini on kevyt, muokattava ja hyvin korroosiota kestävä metalli, jota käytetään rakentamisessa, liikenteessä, pakkauksissa, sähkölaitteissa ja lukemattomissa teknisissä tuotteissa. Sen kemiallinen merkki on Al ja järjestysluku 13. Puhtaan alumiinin tiheys on noin 2,70 g/cm³ ja sulamispiste noin 660 °C. Käytännössä alumiinin ominaisuudet riippuvat kuitenkin myös seoksesta, lämpökäsittelystä, tuotteen muodosta ja käyttöympäristöstä.

Alumiinin tärkeimmät ominaisuudet lyhyesti

Alumiinin käyttökelpoisuus ei perustu yhteen yksittäiseen ominaisuuteen, vaan usean tekijän yhdistelmään. Metalli on huomattavasti terästä kevyempää, johtaa hyvin lämpöä ja sähköä, muokkautuu moniin muotoihin ja muodostaa pinnalleen suojaavan oksidikerroksen. Puhtaana alumiini on melko pehmeää, mutta seostamalla sen lujuutta ja muita teknisiä ominaisuuksia voidaan muuttaa huomattavasti.

Alumiinin tiheys ja miksi metalli on kevyt

Alumiinin tiheys on noin 2,70 g/cm³ huoneenlämpötilassa. Tämä tarkoittaa noin 2 700 kilogrammaa kuutiometrille puhdasta alumiinia. Vertailun vuoksi monien rakenneterästen tiheys on lähellä 7,8 g/cm³, joten saman tilavuuden alumiinikappale on selvästi kevyempi. Juuri matala tiheys selittää suuren osan alumiinin suosiosta ajoneuvoissa, koneissa, julkisivuissa ja siirrettävissä rakenteissa.

Tiheyttä voidaan käyttää myös kappaleen massan arviointiin, kun mitat tunnetaan. Esimerkiksi levyn paino riippuu pinta-alasta, paksuudesta ja materiaalin tiheydestä. Käytännön laskentaa varten kannattaa käyttää erillistä opasta alumiinilevyn painosta, jossa geometria ja paksuuden vaikutus voidaan käsitellä tarkemmin ilman, että materiaalin yleiset ominaisuudet sekoittuvat tuotekohtaiseen laskentaan.

Alumiinin sulamispiste on noin 660 °C

Puhtaan alumiinin sulamispiste on noin 660 °C. Arvo on selvästi alempi kuin esimerkiksi raudan sulamispiste, mutta käytännön työssä pelkkä taulukkoarvo ei kerro kaikkea. Alumiiniseosten sulamisalue voi poiketa puhtaan metallin arvosta, ja seos ei välttämättä muutu kiinteästä täysin nestemäiseksi yhdessä tarkassa lämpötilassa.

Tämä on olennaista erityisesti valussa, lämpökäsittelyssä ja hitsauksessa. Alumiini myös johtaa lämpöä tehokkaasti, joten lämpö leviää työkappaleessa nopeasti. Laserleikkauksen prosessiparametrit, kaasun käyttö ja leikattavan seoksen vaikutus kuuluvat puolestaan tarkemmin alumiinin laserleikkausoppaaseen.

Ruostuuko alumiini?

Alumiini ei ruostu samalla tavalla kuin rauta, koska ruosteella tarkoitetaan tavallisesti raudan ja sen seosten korroosiotuotteita. Alumiini voi silti korrodoitua. Kun paljas alumiinipinta joutuu kosketuksiin ilman hapen kanssa, siihen muodostuu nopeasti erittäin ohut alumiinioksidikerros. Kerros tarttuu pintaan ja hidastaa hapen sekä kosteuden pääsyä alla olevaan metalliin.

Tämän vuoksi alumiini kestää monia ulko- ja sisäympäristöjä ilman jatkuvaa maalausta. Korroosionkesto ei silti ole ehdoton. Suolainen ympäristö, voimakkaasti happamat tai emäksiset aineet, rakenteeseen jäävä kosteus sekä kosketus toiseen metalliin voivat muuttaa korroosioriskiä. Erityisesti galvaaninen korroosio on mahdollinen, jos alumiini on sähköisessä kosketuksessa jalomman metallin kanssa ja välissä on sähköä johtava neste, kuten suolavesi.

Oksidikerros suojaa, mutta pinta voi silti vaurioitua

Luonnollinen oksidikerros uusiutuu yleensä, jos pinta naarmuuntuu ja ympäristössä on happea. Se ei kuitenkaan tee materiaalista täysin immuunia pistekorroosiolle, rakokorroosiolle tai kemialliselle hyökkäykselle. Siksi käyttökohteessa on tärkeää valita oikea seos, rakenneratkaisu ja tarvittaessa pintakäsittely.

Kun tavoitteena on paksumpi ja hallittu oksidipinta, alumiini voidaan anodisoida. Anodisointi muuttaa pinnan rakennetta ja voi parantaa kulutuksen sekä korroosion kestävyyttä ja mahdollistaa värjäyksen. Pintakäsittelyn toimintaperiaate ja huolto on käsitelty erikseen artikkelissa anodisoidun alumiinin ominaisuuksista.

Puhtaan alumiinin ja alumiiniseosten ero

Kun puhutaan alumiinin ominaisuuksista, on tärkeää erottaa puhdas metalli ja alumiiniseokset. Puhtaalla alumiinilla on hyvä korroosionkesto, muovattavuus sekä sähkön- ja lämmönjohtavuus, mutta sen mekaaninen lujuus on rajallinen moniin rakennekohteisiin. Siksi kaupallisissa tuotteissa käytetään paljon seoksia, joissa alumiiniin lisätään esimerkiksi magnesiumia, piitä, mangaania, kuparia tai sinkkiä.

Seosaineilla voidaan muuttaa lujuutta, kovuutta, koneistettavuutta, hitsattavuutta, korroosionkestoa ja lämpökäsiteltävyyttä. Siksi kaksi ulkonäöltään lähes samanlaista alumiinikappaletta voi käyttäytyä työstössä hyvin eri tavoin. Myös myötölujuuden tai vetolujuuden ilmoittaminen yhdellä yleisellä arvolla olisi harhaanjohtavaa, koska vaihtelu eri seosten ja toimitustilojen välillä on suurta.

Alumiinin lämmön- ja sähkönjohtavuus

Alumiini johtaa sekä lämpöä että sähköä hyvin. Sähkötekniikassa sen etu on erityisesti johtavuuden ja pienen massan yhdistelmä: vaikka kupari johtaa sähköä paremmin samalla poikkipinta-alalla, alumiini on paljon kevyempää. Tästä syystä sitä käytetään muun muassa voimansiirron johtimissa ja erilaisissa sähkörakenteissa.

Hyvä lämmönjohtavuus näkyy esimerkiksi jäähdytyslevyissä, lämmönvaihtimissa, keittiövälineissä ja elektroniikan koteloinneissa. Sama ominaisuus vaikuttaa myös työstämiseen: lämpö ei pysy vain pienellä alueella, vaan leviää nopeasti ympäröivään materiaaliin. Tämä täytyy huomioida, kun kappaletta kuumennetaan paikallisesti.

Muokattavuus, koneistus ja liittäminen

Alumiini soveltuu moniin valmistusmenetelmiin. Sitä voidaan valssata levyksi, puristaa profiileiksi, vetää langaksi, valaa, koneistaa ja liittää eri tavoin. Sopivin menetelmä riippuu seoksesta, seinämäpaksuudesta, tavoitellusta lujuudesta ja pinnan laadusta. Joissakin seoksissa hyvä muovattavuus on tärkein ominaisuus, kun taas toisissa painotetaan lujuutta tai koneistettavuutta.

Alumiinin pinnan oksidikerros ja tehokas lämmönjohtuminen vaikuttavat myös hitsaukseen. TIG- ja MIG-hitsauksessa tarvitaan menetelmään sopivat asetukset, puhdas pinta ja oikea lisäaine. Tässä artikkelissa asiaa ei käsitellä yksityiskohtaisesti, koska hitsausmenetelmät ja tyypilliset virheet kuuluvat omaan tekniseen kokonaisuuteensa.

Alumiinin kierrätys ja materiaalin uudelleenkäyttö

Alumiini soveltuu hyvin materiaalikiertoon, koska metalli voidaan sulattaa ja käyttää uudelleen. Kierrätyksen kannalta oleellista on kuitenkin erotella erilaiset seokset ja poistaa epäpuhtauksia. Jos hyvin erilaisia alumiinilaatuja sekoitetaan hallitsemattomasti, lopputuotteen kemiallinen koostumus ei välttämättä sovi vaativaan käyttökohteeseen.

Metallin markkinahinta ja romualumiinista maksettava ostohinta ovat eri asioita. Jos tarkoituksena on seurata raaka-aineen markkinahintaa, ajantasainen LME alumiini hinta kuuluu alumiinin hintasivulle. Tämä artikkeli keskittyy sen sijaan materiaalin pysyviin fysikaalisiin ja teknisiin ominaisuuksiin.

Mitä alumiinin ominaisuuksia kannattaa verrata materiaalivalinnassa?

Pelkkä tieto siitä, että kappale on alumiinia, ei vielä riitä tekniseen materiaalivalintaan. Rakenteessa kannattaa verrata ainakin seosta, lujuustilaa, korroosioympäristöä, käyttölämpötilaa, valmistusmenetelmää ja mahdollista pintakäsittelyä. Jos tavoitteena on mahdollisimman pieni massa, tiheys on tärkeä lähtökohta, mutta kantavassa rakenteessa myös jäykkyys ja lujuus ratkaisevat. Sähkö- tai lämpöteknisessä käytössä taas johtavuudella voi olla suurempi merkitys kuin mekaanisella lujuudella.

Myös tuotteen muoto vaikuttaa lopputulokseen. Levy, valukappale ja pursotettu profiili voivat olla eri seosta ja eri toimitustilassa, vaikka kaikkia kutsutaan arkikielessä alumiiniksi. Siksi materiaalin ominaisuuksia kannattaa arvioida aina kyseisen tuotelaadun tietojen perusteella eikä vain puhtaan alumiinin yleisten taulukkoarvojen avulla.

Miksi alumiini sopii niin moneen käyttökohteeseen?

Alumiinin vahvuus materiaalina on tasapaino: pieni tiheys, hyvä korroosionkesto, muokattavuus, johtavuus ja seostettavuus toimivat yhdessä. Yksittäinen ominaisuus ei tee siitä parasta vaihtoehtoa kaikkiin tuotteisiin, mutta ominaisuuksien yhdistelmä tekee siitä erittäin monipuolisen. Siksi materiaalivalinnassa kannattaa aina tarkistaa, puhutaanko puhtaasta alumiinista vai tietystä seoksesta ja millaisessa ympäristössä tuotetta käytetään.

Yhteenvetona puhtaan alumiinin keskeiset perustiedot ovat helppoja muistaa: kemiallinen merkki Al, tiheys noin 2,70 g/cm³ ja sulamispiste noin 660 °C. Käytännön suorituskyvyn ratkaisevat kuitenkin lisäksi seos, rakenne, pintakäsittely, lämpötila ja korroosioympäristö. Näin alumiinin ominaisuuksia voidaan tulkita oikein ilman, että yhden taulukkoarvon perusteella tehdään liian pitkälle meneviä johtopäätöksiä.