Valuraudat. Valunhankinta tarjouspyynnöstä tarjoukseksi Valimoinstituutti, Tampere

Transkriptio

1 Valunhankinta tarjouspyynnöstä tarjoukseksi Valimoinstituutti, Tampere Valuraudat Professori Juhani Orkas, TKK Tekniikan ylioppilas Jarkko Heinämäki, TKK 1

2 Sisällysluettelo 1 Yleistä Grafiittiset valuraudat Suomugrafiittirauta (GJL) Pallografiittirauta (GJS) Drossi ja chunky-grafiitti Tylppägrafiittivalurauta (GJV) Tempervaluraudat (GJM) Erikoisvaluraudat Austemperoidut valuraudat Valkoinen valurauta Valuprosessi Valumenetelmät Raakaineet ja panostus Seosaineita Valujen lämpökäsittelyt Sulatus ja uunit Sulan käsittelyt Hiilipitoisuuden säätö Piipitoisuuden säätö Rikinpoisto Ymppäys Pallouttaminen

3 1 Yleistä Metallit ovat koneenrakennuksessa yleisin materiaali ja niistä ylivoimaisesti eniten käytettyjä ovat rautametallit. Periaatteessa kaikkia metalleja ja metalliseoksia voidaan valaa. Kaupallisesta ja teollisuuden näkökulmasta merkittävien valumetallien joukko on kuitenkin rajoitetumpi ja käytössä olevat valumetallit luokitellaan joko rautametalleihin tai eirautametalleihin Valuraudat kuuluvat valettaviin rautametalleihin. Valuraudoiksi luokitellaan kaikki rauta hiili-seokset, joissa hiilipitoisuus on suurempi kuin 2,06 % [2]. Aiemmin valurauta määriteltiin 1,7 % hiilipitoisuuden omaavaksi rautahiiliseokseksi koska vanhan käsityksen mukaan austeniittialue ulottui rauta-hiilitasapainopiirustuksessa vain hiilipitoisuuteen 1,7 % saakka. Käytännössä valuraudan hiilipitoisuus on n. 2,4-4 % ja se vaihtelee hiukan lähdeteoksesta riippuen. [3] Valuraudoissa hiili voi olla joko grafiittina tai sitoutuneena joko rautaan tai valuraudan muihin seosaineisiin. Grafiittisissa valuraudoissa valuraudan rakenne koostuu grafiitista ja valuraudan matriisista. Valuraudan ominaisuuksien määräytymiselle tärkeintä on se, minkälaisesta grafiittirakenteesta ja matriisista se koostuu. Grafiittiset valuraudat erotellaan toisistaan ensisijaisesti hiilen esiintymistavan mukaan siksi, että valurautojen mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat erinomaisen voimakkaasti grafiitin esiintymistavasta riippuvaisia. Valtaosa teollisuudessa käytettävästä valuraudasta on grafiittista. Jos hiili ei pääse jähmettymisen yhteydessä kiteytymään grafiitiksi vaan muodostaa karbideja sanotaan valurautaa valkoiseksi valuraudaksi. Valkoinen valurauta on haurasta ja kovaa ja sen murtopinta on vaalea. [1, 3] Rauta voi sitoa hiiltä korkeintaan 6,7 %. Valurautaa jonka hiilihiiliekvivalentti CE on 4,3-6,7, kutsutaan ylieutektiseksi. Grafiittisilla valuraudoilla erkautuu silloin stabiilin systeemin mukaisesti ensin grafiittia. Vastaavasti valkoisten valurautojen tapauksessa ylieutektisella koostumuksella erkautuu periaatteessa ensin sementiittiä. Alieutektisessa valuraudassa CE on taas 2,06-4,3 %. Alieutektisten seosten kiteytyminen alkaa austeniitin kiteytymisellä jo ennen eutektista lämpötilaa. Lämpötilan laskiessa jähmeän austeniitin osuus kasvaa ja jäljellä oleva loppusula saavuttaa lopulta eutektisessa lämpötilassa eutektisen koostumuksen. Tällöin loppusula muuttuu austeniitiksi sekä joko grafiitiksi tai karbidiksi. [2] 3

4 2 Grafiittiset valuraudat Hiilen esiintymistapa määräytyy valuraudan jähmettymisen yhteydessä, ja siihen voidaan vaikuttaa pääsääntöisesti vain ennen valua. Hiilen esiintymistapaan voidaan vaikuttaa valuraudan koostumuksella, valun ja valujärjestelyn suunnittelulla sekä sulankäsittelyllä. Koska grafiitin murtolujuus on mitättömän pieni, voi valuraudan lujuus jäädä heikoksi jos grafiitti on jakautunut epäedullisesti sen rakenteeseen. [2] Grafiitin muodostuminen rauta-hiili-seosten rakenteeseen on työlästä grafiitin kiteytymisytimien muodostuksen takia. Ytimien muodostumista helpottaa: - hiilipitoisuuden kasvu - jäähtymisnopeuden pienentyminen - pii-pitoisuuden kasvu [3] Grafiittisten valurautojen ja erityisesti pallografiittivaluraudan ominaisuudet riippuvat myös metallisen perusmassan eli matriisin tyypistä ja ominaisuuksista. Matriisin tyyppiin ja kovuuteen voidaan vaikuttaa koostumuksella ja valujärjestelyllä sekä vielä valun jälkeen tehokkaasti myös erilaisilla lämpökäsittelyillä. 4

5 2.1 Suomugrafiittirauta (GJL) Hiili voi esiintyä suomugrafiittiraudassa kahdessa eri muodossa: vapaana grafiittina ja kemiallisesti sidottuna rautakarbidina eli sementiittinä. Nimensä mukaisesti grafiittikiteet ovat suomumaisia ja antavat raudan murtopinnalle harmaan värin. Kuvassa 1 on nähtävissä suomugrafiittiraudan mikrorakenne. Kuva 1 Suomugrafiittiraudan mikrorakenne. [12] Murtopinnan väristä johtuen suomugrafiittirautaa on ennen kutsuttu yleisesti harmaaksi raudaksi [3]. Suomugrafiittiraudat sisältävät keskimäärin n. 3,4 % hiiltä C ja n. 2,2 % piitä Si, joidenka vaikutuksesta suomugrafiittiraudan sulamislämpötila on n. 300 C pienempi kuin valuteräksen joten suomugrafiittiraudan valu on kustannuksiltaan suhteellisen edullista. Kustannusten edullisuuteen liittyy myös se että valaminen on toteutettavissa varsin yksinkertaisillakin laitteilla. [5, 6] Suomugrafiittirauta tunnetaan halpana sekä erittäin hyvin valettavana ja koneistettavana materiaalina. Lähinnä näihin kolmeen ominaisuuteen perustuu suomugrafiittiraudan suuri käyttö vaikka sen lujuusominaisuudet ovat varsin heikot. [3]. Suomugrafiittiraudan valettavuudesta erinomaisen tekee grafiitin erkautuessa tapahtuva tilavuuden kasvu, joka kompensoi metallin jähmettymiskutistumaa niin paljon että varsinkaan pehmeämmillä laaduilla syöttöjä ei tarvita ollenkaan ja lujillakin laaduilla syötöntarve on vähäistä verrattuna esim. valuteräksiin. Hyvään valettavuuteen liittyy myös suomugrafiittirautojen erinomainen juoksevuus. [5] 5

6 Suomugrafiittirauta on vähitellen menettänyt asemiaan valurautojen ja valumetallien valtamateriaalina, mutta on kuitenkin edelleenkin käytetyin valumetalli hyvien ominaisuuksiensa ansiosta joita ovat edellä mainittujen lisäksi mm.: - pieni kiteytymiskutistuma - hyvä lämmönjohtavuus - hyvä korroosionkestävyys normaaleissa käyttöolosuhteissa - erinomainen vaimennuskyky - hyvät liukuominaisuudet ja kesto adhesiivista kulutusta vastaan Suomugrafiittirautojen ominaisuudet muuttuvat vain vähän alhaisissa lämpötiloissa. Lujuus ja kovuus -100 C:ssa ovat n. 10 % korkeammat kuin huoneenlämpötilassa. Kuumennettaessa suomugrafiittirautojen lujuus säilyy lähes muuttumattomana noin 400 C:een saakka. Selkeää kimmoista aluetta ei suomugrafiittiraudassa ole ja kimmokertoimena ilmoitetaankin ns. suhteellinen kimmokerroin, joka vaihtelee yleensä välillä MPa. Vaikka lujuusominaisuuksissa voitaisiin saavuttaa hyviäkin arvoja, aiheuttaa ominaisuuksien hajonta ongelmia materiaalin käytössä jotka käytännössä voitetaan ylimitoituksella. Muita suomugrafiittiraudan heikkoja ominaisuuksia konstruktiomateriaalina ovat mm. pieni iskusitkeys ja pieni venymä. [1, 3] Suomugrafiittiraudan vaimennuskyky on ylivoimainen muihin valumetalleihin verrattuna. Vaimennuskyky paranee grafiitin määrän lisääntyessä rakenteessa. Ominaisuutta käytetään hyväksi mm. työstökoneiden rungoissa ja kotelorakenteissa vaimentamaan värähtelyä sekä imemään koneen aiheuttamaa melua. Voideltuna suomugrafiittirauta sopii kaikkien liukupintojen materiaaliksi. Lisäksi hyvän lämmönjohtokykynsä sekä pienen kimmokertoimen johdosta suomugrafiittirauta soveltuu kuivinakin toimiviin liukupintoihin. Suomugrafiittiraudat ovat korroosionkestävyydeltään parempia kuin seostamattomat teräkset kaikissa ilmasto-olosuhteissa. Ruostekerroksen metallin pinnalla saavutettua tietyn paksuuden se hilseilee pois paljastaen uuden pinnan syöpymiselle alttiiksi. Tämä tekee ruostumisen hitaaksi etenkin paksuseinäisissä kohteissa. Yleisin tapa suojata harmaarautaa on maalata pinta erityisellä korroosionestomaalilla. Suomugrafiittirauta on seinämäherkkä valumateriaali mikä tarkoittaa sen lujuusominaisuuksien ja muiden mekaanisten ominaisuuksien riippuvuutta valun koosta ja 6

7 seinämänpaksuudesta. Paksut seinämät ja ainekeskittymät jäähtyvät ja jähmettyvät hitaasti, minkä vuoksi niihin syntyy helposti karkeampi grafiittirakenne ja runsaammin ferriittiä joka huonontaa suomugrafiittiraudan ominaisuuksia. Pahimmassa tapauksessa yhdessä kappaleessa voi olla kaikkia neljää mahdollista kiderakennetta. Toisaalta myös nopeasti jäähtyviin kohtiin saattaa syntyä karbideja. Samasta sulasta valetun suomugrafiittivaluraudan mekaaniset ominaisuudet riippuvat siten valun koosta ja paikallisesta seinämänpaksuudesta. Seinämäherkkyys on tyypillinen valuraudan ominaisuus eikä välttämättä aina huono asia; voidaanhan sitä hyväksi käyttäen säätää haluttaessa kappaleen eri osiin erilaiset ominaisuudet.[3, 6, 7] Suomugrafiittiraudan koneistusta hankaloittaa ainepaksuuden vaihtelusta johtuvat kovuusvaihtelut, mutta yleisesti suomugrafiittirauta on hyvä metalli koneistukseen varsinkin jos sen matriisirakenne on ferriittinen. Suomugrafiittiraudan hyvä lastuttavuus johtuu myös grafiittisuomuista ja erityisesti niiden kyvystä katkaista lastu. Pehmeämpiin suomugrafiittirautoihin jää kuitenkin työstöstä johtuvia lovia ja epätasaisuutta. Työstöpinnan ulkonäköön perustuu toisinaan kuultu harhakäsitys että suomugrafiittirauta olisi kauttaaltaan huokoista ainetta[6]. Suomugrafiittivalurauta on haurasta eikä yleensä ottaen kestä hitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia murtumatta[1]. Hitsauksen lämpösykliin liittyvässä nopeassa jäähtymisessä liitokseen syntyy myös hauraita karbideja ja martensiittisia matriisin mikrorakenteita. Varsinaisessa konstruktiivisessa tarkoituksessa suomugrafiittivalurautoja ei yleensä hitsatakaan. Liittäminen on yleensä suoritettava mekaanisin liitoksin. Rajoitettua korjaus- ja varusteluhitsausta harjoitetaan pääasiassa puikkohitsauksena pehmein nikkeliseosteisin lisäainein ja korkean esilämmityksen avulla. Hitsauksen sijasta valujen korjauksessa käytetään myös ns. jälkivalua jossa työkappale kuumennetaan n C lämpötilaan ja valetaan perlitoinnin varmistamiseksi kupariseosteisella sulalla jonka jälkeen korjattu kohta myöstetään. [5] 2.2 Pallografiittirauta (GJS) Pallografiittirauta on suhteellisen tuore keksintö; sen valua koskeva patentti myönnettiin vuonna 1938 USA:ssa. Teollinen valmistus palloraudalla alkoi 1947 ja Suomessa sitä valettiin ensimmäinen kerran Pallografiittiraudan tuotanto on noussut voimakkaasti viimeisten vuosikymmenien aikana ja sen käytön kasvu jatkuu edelleenkin mm. temper- ja 7

8 suomugrafiittivalurautojen kustannuksella, mutta osin myös teräsvaluja ja -rakenteita korvaten. [1] Peruspallografiittirauta sisältää tyypillisesti hiiltä 3,6 %, piitä 2 %, mangaania 0,3 % ja palloutusaineena magnesiumia 0,04 % [6]. Pallografiittivaluraudoissa pyritään grafiitti kiteyttämään pallomaisen muotoon (kuva 2), jolloin raudalle saadaan paremmat lujuusominaisuudet, suurempi vetolujuus ja parempi sitkeys. Palloutuminen saadaan aikaiseksi valuraudan riittävällä puhtaudella ja lisäämällä sulaan palloutusaineita ennen valua. Koska magnesiumin tiheys on suhteellisen pieni on palloutuksen helpottamiseksi kehitetty raskaampia ja hitaammin liukenevia seoksia kuten NiMg, CuMg ja FeSiMg joista yleisin on ferropiimagnesium.[2]. Eräät romuissa ja harkoissa tavalliset oheisaineet kuten rikki, titaani ja alumiini ovat grafiitin palloutumista vaikeuttavia aineita joten pallografiittiraudan valmistus vaatii tarkemmin valikoidut ja tunnetut raaka-aineet kuin esim. suomugrafiittirauta.[6]. Pallografiittiraudan valmistus on prosessina huomattavasti hankalampaa kuin suomugrafiittiraudan. Kuva 2 Pallografiittiraudan mikrorakenne.[13] Pallografiittiraudan pallomainen grafiitti heikentää huomattavasti vähemmän raudan mekaanisia ominaisuuksia kuin suomugrafiittiraudan suomumainen grafiitti koska siinä ei pallomaisesta kiteen muodosta johtuen ole vastaavaa sisäistä lovivaikutusta. Mekaanisen kestävyyden kannalta pallografiitti edustaakin valurautojen edullisinta muotoa ja johtaa siten mm. parhaimpiin lujuus-, sitkeys- ja väsymisominaisuuksiin Vaikka pallografiittiraudan liukuominaisuus, vaimennuskyky ja työstettävyys eivät ole yhtä hyviä kuin suomugrafiittiraudalla, ovat sen ominaisuudet perusrakenneterästen tasolla ja alhaisemman sulamispisteensä johdosta helpommin valettavissa ja työstettävissä. Lisäksi sen 8

9 plastinen venymä on samaa luokkaa kuin teräksillä. Näin ollen pallografiittiraudan sanotaan usein omaavan teräsmäisiä mekaanisia ominaisuuksia. [4, 7] Pallografiittirautojen vaimennuskyky on hieman heikompi kuin suomugrafiittivaluraudalla mutta mekaaninen kulumiskestävyys on huomattavasti parempi, etenkin perliittisillä pallografiittiraudoilla. Voideltunakaan pallografiittirauta ei yllä suomugrafiittirautojen tasolle johtuen grafiittikiteiden muodosta. Kuivana toimivissa pinnoissa pallografiittiraudan huonompi lämmönjohtavuus aiheuttaa kappaleen kuumenemista ja edistää kulumista. Korroosionkestävyys on pallografiittiraudalla hiukan parempi kuin suomugrafiittiraudalla ja huomattavasti parempi kuin valuteräksellä, koska palloutunut grafiitti rikkoo metallin rakennetta vähemmän eikä avaa lovia syövyttäville aineille rakenteen sisään. Pallografiittirautojen lastuttavuus paranee lujuusominaisuuksien kasvaessa ja ylittää jopa suomugrafiittirautojen lastuttavuuden, koska kova perliittinen rakenne on helpompaa lastuta kuin ferriittis-perliittinen, joka on suomugrafiittiraudan rakenne vastaavassa kovuusasteessa. Lastutun pinnan laatu on lisäksi GJS-lajeilla parempaa kuin GJL-lajeilla. Lämpökäsiteltyjen pallografiittirautojen, kuten ne usein toimitustilaltaan ovat, rakenne on tasainen joten kovuusvaihtelut eivät häiritse koneistusta. [5] Hitsattavuus pallografiittiraudoilla on niiden paremman sitkeyden vuoksi parempaa kuin suomugrafiittiraudoilla. Ferriittiset GJS -lajit pystyvät mukautumaan hitsauksen aiheuttamiin jännityksiin paremmin kuin ferriittis-perliittiset. Suuri hiilipitoisuus aiheuttaa kuitenkin ongelmia etenkin hitsisaumassa, jossa hitsin nopea jäähtyminen aiheuttaa liitoksen mikrorakenteeseen hauraita karbideja ja martensiittia. Hitsauslisäaineiden ja menetelmien kehityttyä niin paljon että korkean hiilipitoisuuden aiheuttamat ongelmat on voitu ratkaista, on pallografiittivalurautaa alettu hitsaamaan jopa konstruktiivisissa tarkoituksissa. [1, 5] Drossi ja chunky-grafiitti Drossilla tarkoitetaan kuonanmuodostuksessa syntyviä reaktiotuotteita, jotka pallografiittirautavalukappaleeseen jäädessään ovat haitallisia. Drossia muodostuu sulan sisältämän hapen ja rikin reagoidessa palloutus- ja ymppäysaineiden kanssa. Drossia voi syntyä myös liukenemattoman tai vain osittain liuenneen ymppäysaineen takia tai täyttöjärjestelmässä ja muotissa valettaessa kuonatonta metallia koska turbulenttivirtauksessa sula reagoi sitä ympäröivän hapen kanssa. Näiden lisäksi muotin 9

10 kosteus ja alhainen valulämpötila suosii drossin muodostumista. Drossia voidaan vähentää käyttämällä ceriumia, jonka liiallinen käyttö aiheuttaa kuitenkin chunky-grafiittia. [5] Chunky-grafiitti koostuu yhtenäisistä hiilimuodostelmista jotka ovat rikkoutuneen pallografiitin palasia. Se vähentää pallografiittiraudan lujuutta, venymää ja iskusitkeyttä. Chunku-grafiittia esiintyy erityisesti paksuissa seinämissä jos ceriumia on liikaa ja hiiliekvivalentti on korkea. Chunkya voidaan torjua - antimonilla - tehokkaalla ymppäyksellä jolloin saadaan suuri pallotiheys - lisäämällä jäähtymisnopeutta - valun suunnitteluteknisin keinoin [5] 10

11 2.3 Tylppägrafiittivalurauta (GJV) Tylppägrafiittiraudaksi kutsutaan valurautaa, jossa grafiitti esiintyy suomumaisina, mutta tavallista suomugrafiittia paksumpina ja pyöreämpimuotoisina suomuina [4]. Tylppägrafiittivalurauta edustaa sekä mikrorakenteellisesti että useimpien ominaisuuksiensa kannalta lujuus-, sitkeys- ja väsymisominaisuuksiltaan parhaan pallografiittivaluraudan ja mekaanisesti heikoimman ja hauraimman suomugrafiittiraudan välimuotoa niin että mekaaniset ominaisuudet ovat paremmat kuin suomugrafiittiraudalla, mutta vaimennuskyky sekä lämmönjohtavuus paremmat kuin pallografiittiraudalla. Kesto väsyttävää kuormitusta vastaan on parempi kuin kummankaan.[7]. Vaikka tylppägrafiittia on aina esiintynyt epätäydellisen palloutumisen seurauksena, heräsi kiinnostus sen kontrolloidusti valetun rakenteen ominaisuuksia kohtaan vasta paljon myöhemmin ja sen teollinen valmistus alkoi vasta 1980-luvulla. [6] Ferriitti- tai perliittipohjaisessa tylppägrafiittiraudassa suomugrafiittierkaumat ovat reunoiltaan paksuuntuneita ja pyöristyneitä. Tyypillisessä koostumuksessa on 3,4 % hiiltä, 2,9 % piitä, 0,3 % mangaania, 0,03 % fosforia ja 0,01 % rikkiä [7]. Tylppägrafiittiraudan valmistuksessa tasainen rakenne saadaan aikaiseksi saostamalla lämpötilaltaan ja puhtaudeltaan kontrolloituun sulaan sopivassa suhteessa grafiittia pallouttavia ja palloutusta estäviä aineita kuten rikki ja titaani. Tylppägrafiittiraudan hallittu valmistaminen onkin vaikeampaa kuin pallografiittiraudan. Suurin yksittäinen tylppägrafiittiraudan käyttökohde on sen lämpövaihtorasituksen kestokyvyn vuoksi terästehtaiden valukokillit. Muita sovelluksia ovat olleet mm. moottorien sylinteriryhmät ja rungot, pumpun pesät, jarrulevyt sekä vaihdelaatikoiden rungot ja kannet, joissa kaikissa haetaan ominaisuuskombinaatioita, joita pallo- tai suomugrafiittivaluraudat eivät kykene yksinään tarjoamaan. [1, 6] 11

12 2.4 Tempervaluraudat (GJM) Lämpökäsittelemällä grafiitittomana jähmettynyttä haurasta valkoista valurautaa saadaan sitkeää, taottavaa ja helposti työstettävää, vapaata hiiltä kerämäisenä ns. tempergrafiittina sisältävää adusoitua valurautaa eli tempervalurautaa. Koska kyseessä on karbidien hajautumiseen johtava prosessi, tarvitaan siihen varsin korkea hehkutuslämpötila ja hehkutusaika [4]. Tempervalurautaa valmistettaessa raudan koostumus valitaan niin että kappale jähmettyy kokonaan valkoisena valurautana. Hiilipitoisuus on yleensä suuri ja piipitoisuus pieni. [9]. Toisaalta lähteessä [2] sanotaan että valkoisia valurautoja ei yleensä valeta ylieutektisina vaan reilusti alieutektisina. Temperraudan metallinen mikrorakenne voi olla ferriittiä, perliittiä tai päästömartensiittiä. Tempervaluraudan matriisin tyyppi ja siten myös lujuusluokka määräytyy ensisijaisesti adusointikäsittelyn jälkeisen jäähtymisnopeuden mukaan. Eri lujuusluokkiin adusoitavat temperraudat voidaan siten valaa samasta perussulasta jonka tyypillinen koostumus on hiiltä C 2,3 %, piitä 1,2 % ja mangaania Mn 0,3 % [6]. Harmaaraudoista poiketen adusoiduilla raudoilla on selvä ja suhteellisen korkea myötöraja sekä suuri kimmokertoimen arvo. On kuitenkin muistettava, että pitkällinen lämpökäsittely lisää kustannuksia, minkä johdosta pallografiittiraudat ovat syrjäyttämässä adusoituja rautoja. Lämpökäsittelymenetelmän vuoksi temperrautaa voidaan käyttää vain alle 100 kg ja seinämävahvuudeltaan alle 30 mm kappaleisiin tyypillisten kappaleiden ollessa n kg. Paksuseinäisemmillä kappaleilla jähmettyminen olisi liian hidasta muodostaakseen täysin valkoista valurautaa [4]. Temperraudat ovat useiden ominaisuuksiensa ja grafiitin muodon puolesta samankaltaisia pallografiittirautojen kanssa (kuva 3) ja ne voidaan jakaa kolmeen ryhmään: - valkeaan eli eurooppalaiseen temperrauta - mustaan eli amerikkalaiseen temperrauta - perliittiseen temperrauta 12

13 Kuva 3 Mustan temperraudan mikrorakenne. [12] Valkoydin temperraudan hehkutus suoritetaan hapettavassa ympäristössä, jolloin valun pinnasta poistuu hiiltä ja siihen muodostuu ferriittinen grafiititon pintakerros. Koska valkean temperraudan pinta on grafiititon, on se erinomaisesti hitsattavaa olettaen tietenkin että hitsauksessa sulaa vain hiiletön pintakerros jonka paksuus on tyypillisesti n mm. Tätä on hyödynnetty mm. hitsattavaksi tarkoitettujen pienehköjen valukomponenttien valmistuksessa. Valkoisen valuraudan työstettävyys on myös hyvä verrattuna suomugrafiittirautaan mutta ei kuitenkaan niin hyvä kuin mustan temperraudan. Valkoydintemperraudan valuominaisuudet ovat korkeasta hiilipitoisuudesta johtuen hyvät. [9, 2] Mustaydin temperrautaa valmistetaan lähinnä Amerikassa. Musta temperrauta eroaa valkoisesta periaatteessa siinä, että sen lämpökäsittelyssä pyritään välttämään hiilen hapettumista suorittamalla adusointi joko ilmatiiviissä uunissa tai suojakaasussa jolloin koko hiili erottautuu ns. temperhiilenä. Valukappale on lopulliselta kiderakenteeltaan ferriittiä ja temperhiiltä ja kiderakenne on läpi kappaleen samanlainen. Mustan temperraudan työstettävyys on lujuusluokkansa paras. Koska sillä ei ole valkoisen temperraudan tavoin hiiletöntä pintakerrosta, ei se sovi yhtä hyvin hitsattavaksi. Suomessa valmistetaan ainoastaan mustaydintemperrautaa jonka valmistus takaa tasa-aineisuuden läpi kappaleen ja kappaleesta toiseen riippumatta kappaleen seinämänpaksuudesta [8]. Perliittiset tempervaluraudat ovat adusoiduista valuraudoista lujempia mutta niiden huonoja puolia ovat niiden huonompi sitkeys ja työstettävyys. 13

14 Temperrautoja on käytetty mm. sähkölinjojen ripustusosina, niittokoneen kynsinä, autonmoottorin venttiilikoneiston keinuvipuina ja kiertokankina varsinkin nuorrutettuna laatuna. Valkoisesta temperraudasta on tehty myös putkiyhteitä joiden seinämänpaksuus on ollut vain mm. Niiden valmistus on kuitenkin vähentynyt kalliin lämpökäsittelyprosessin takia ja uusien materiaalien tulon jälkeen. [6] 2.5 Erikoisvaluraudat Edellä selostettujen valurautojen lisäksi on olemassa vielä ns. erikoisvalurautoja joita saadaan seostamalla tai lämpökäsittelemällä. Austeniittista valurautaa käytetään kohteisiin, joissa vaaditaan hyvää korroosionkestävyyttä, tulenkestävyyttä, epämagneettisuutta tai pientä lämpölaajenemista. Ne ovat usein runsaasti nikkelillä Ni ( %) seostettuja. Runsaasti piillä Si ( %) seostetut valuraudat omaavat erinomaisen kestävyyden väkeviä happoja kuten typpi- ja rikkihappoa vastaan. Niitä käytetäänkin teollisuuden pumppujen ja venttiilien materiaalina. [5] Austemperoidut valuraudat Tunnetuin ja kaupallisesti hyödynnetyin erikoisvalurauta erinomaisten ominaisuuksien johdosta on suomessa kehitetty austemperoitu pallografiittirauta eli ADI ( Austempered Ductile Iron ). ADI on mekaanisilta ja tribologisilta ominaisuuksiltaan ylivoimainen jopa teräksiinkin verrattuna ja niillä onkin korvattu usein kalliita seosteräksiä sekä työstettyjä, taottuja tai hitsattuja konstruktioita. [2]. Muokkauslujittuvaa ADI soveltuu erityisen hyvin vierintärasituksen alla toimiviin kohteisiin ja sitä onkin menestyksellisesti käytetty mm. rautatiekalustossa ja hammaspyörissä. Kiskopyörissä sinänsä jo hyvin toimineen teräsvalupyörän korvaaminen ADIlla on laskenut melutasoa, koska ADIlla on n. kolme kertaa suurempi värähtelynvaimennuskyky. Melutason lasku on erityisen suotavaa kulkuneuvoissa, jotka ovat pääsääntöisesti tarkoitettu ihmisten joukkokuljettamiseen. Kiskopyörien kulutuskestävyys on parantunut huomattavasti ja ADIn käyttö on tuonut mukanaan myös painonsäästöä, koska ADIn tiheys on n. 10 % pienempi kuin teräksillä. Teknillisessä korkeakoulussa tehdyn tutkimuksen mukaan suomugrafiittiraudan matriisin ausferritoinnilla voidaan lisätä merkittävästi lujuutta että vaimennuskykyä sitkeysominaisuuksiakaan heikentämättä ja vieläpä ilman kallista seostusta. Austemperoitu 14

15 suomugrafiittirauta eli AGI ( Austempered Gray Iron ) soveltuu mainiosti esim. pumppuihin ja moottorilohkoihin sekä teollisuuden koneiden alustoihin ja runkoihin. [15] 3 Valkoinen valurauta Valkoinen valurauta on valurautojen erikoistapaus, jossa ei esiinny ollenkaan grafiittia vapaana. Kiteytymisen yhteydessä grafiitin muodostuminen voi estyä materiaalin nopealla jäähtymisellä, metastabiilia jähmettymistä suosivan matalan hiiliekvivalenttiarvon valinnalla tai karbidoivia seosaineita käyttämällä [1]. Koska valkoisilla valuraudoilla kiderakenteen muodostavat kova seoskarbidi, martensiitti ja työstökarkeneva austeniitti, ovat ne kovia ja vaikeasti työstettäviä ja näin ollen niillä on melko vähän teknistä käyttöä [4]. Käytännössä voidaan todeta että rakenteessa olevan ledeburiitin vuoksi ne ovat täysin sopimattomia muovaavaan työstöön niin kuumana kuin kylmänäkin [3]. Niiden huonoihin ominaisuuksiin kuuluvat myös iskuhauraus huoneenlämpötilassa sekä herkkyys äkillisille lämpötilan muutoksille. Näistä ominaisuuksista johtuen niillä on suhteellisen vähän teknistä käyttöä [1]. Niiden käyttö koneenrakennuksessa rajoittuu siksi tarkoituksiin, joissa käytönvalinnan perusteena ovat suuri kulutuskestävyys, kemiallinen kestävyys tai tulenkestävyys. Runsaasti seostettuna esim. kromivalurautana valkoinen valurauta toimii hyvin malmin, kalkkikiven ja sementtiklinkkerin jauhinkuulana sekä sinkopuhdistuskoneiden kulutusosina [6]. Valkoinen valurauta on myös lähtökohtana ns. adusoidulle eli tempervaluraudalle. Kuva 4 Valkoisen valuraudan mikrorakenne. [14] 15

16 4 Valuprosessi 4.1 Valumenetelmät Kertamuottimenetetelmistä suhteellisen korkean sulamislämpötilan omaavien valurautojen valamiseen soveltuvat luonnollisesti kaikki menetelmät kipsimuottivalua lukuunottamatta. Kertamuottimenetelmät eivät juurikaan rajoita kappaleen kokoa vaan ainoastaan sarjatuotannon määrää sen ollessa parhaimmillaan muutamia satoja. Konekaavausta käyttämällä sarjatuotantokaan ei ole ongelma. [11] Kestomuottimenetelmistä valuraudoille sopii kokillivalu, jota voidaan käyttää suomugrafiittiraudan ja valkoisen valuraudan valamiseen sekä keskipako ja jatkuvavalu joita voidaan käyttää suomu- ja pallografiittiraudan valamiseen. Myös matalapainevalua käytetään, ei kuitenkaan Suomessa [1]. Kestomuottimenetelmissä valurautakappaleet pyrkivät jähmettymään joko kokonaan tai ainakin pintaosiltaan valkoisiksi. Kestomuottimenetelmissä käytettävien metallimuottien käyttö edellyttää aina sarjatuotantoa. Muotin kestoikä riippuu mm. muotin rakenneaineesta, valumenetelmästä ja tietenkin valettavasta metallista ollen tyypillisesti rautavaluilla valua. [10] Kokilliin valettavien painoalue on laaja ulottuen 0,5 kg useaan tonniin, ja seinämänpaksuus voi vaihdella muutamasta millistä puoleen metriin. Valurautojen kokillivalun tuotantokustannusten on arvioitu olevan % pienemmät kuin konekaavattujen kestomuottivalujen. [10] Valurautojen matalapainevalussa valettavat kappaleet ovat yleensä kooltaan suurempia kuin kokillivalussa. Matalapainevalussa käytetään lähes yksinomaan grafiittisia muotteja niiden kestävyyden vuoksi joka tyypillisesti valurautaa valettaessa on vain valua. 16

17 4.2 Raaka-aineet ja panostus Valuraudan ja valuteräksen raaka-ainekanta muodostuu metallisista raaka-aineista, seosaineista, metallurgisista lisäaineista ja apuaineista. Metallisia raaka-aineita ovat harkkoraudat, valurautaromu ja teräsromu. Seosaineet koostuvat erilaisista runsasprosenttisista ferroseoksista tai teknisesti puhtaista aineista. Metallurgisia lisäaineita ovat hiiletys-, ymppäys- ja palloutusaineet. Metallurgisia apuaineita ovat mm. kalkkikivi, kalkki, fluorisälpä, sooda ja kalsiumkarbonaatti. [2] Valuraudan sulatuksessa on harkkorauta aikaisemmin ollut tärkein raaka-aine. Metallurgisten menetelmien kehittymisen ja sähköuunien käytön yleistymisen johdosta ovat romun käyttömahdollisuudet lisääntyneet. Sulatuksen yhteydessä on siihen liuotettava hiiltä niin että saavutetaan valuraudalle ominainen haluttu hiilipitoisuuden taso. Jos valuraudan sulatus tapahtuu kupoliuunissa, liukenee tarvittava hiili uunin polttoaineena käytettävästä koksista. Sähköuunisulatuksessa lisätään panokseen tai sulaan rautaan hiiletystä varten grafiittia, koksia tai muuta hiilirikasta tuotetta. Harkkoraudan käyttö on myös kuitenkin osaltaan lisääntynyt tiukentuneiden laatuvaatimusten vuoksi koska romun kierto on häiriytynyt erilaisten seosmetallien käytön ja muiden epäpuhtauksien johdosta. [2, 7] Panostuksessa halutunlaiset ohjeanalyysit pyritään toteuttamaan pääraaka-aineiden ja niiden käyttösuhteen valinnalla, mutta usein joudutaan turvautumaan myös runsaspitoisiin seostusaineisiin tietyn alkuaineen lisäämiseksi koostumukseen. Jotkut alkuaineet voidaan lisätä teknisesti puhtaina kuten hiili grafiittina ja kupari ja nikkeli metalleina mutta monet joudutaan lisäämään runsasprosenttisina ferroseoksina koska mm. useiden alkuaineiden kuten kromin ja mangaanin valmistus puhtaana on kallista ja toisaalta niiden liukoisuus rautaseoksena on parempi. Lisäksi ferroseoksilla vaikutetaan jähmettyvien metallien lujuusominaisuuksiin ja kiderakenteeseen. Seosaineiden avulla voidaan myös poistaa haitallisia epäpuhtauksia, kuten happea tiivistysaineilla ja rikkiä kalsiumyhdisteillä. [2] 17

18 4.2.1 Seosaineita Vaikka valurautoja tarkastellaan usein binäärisinä rauta-hiili-seoksina, on niissä luonnollisesti myös muita seosaineita joista tärkein on ehdottomasti pii. Sen ohella muita seosaineita ovat mm. nikkeli, kromi, molybdeeni ja kupari. Piin mukanaolo on käytännössä ehdoton vaatimus grafiitin muodostumiselle. Sillä on voimakas taipumus hajottaa rautakarbidi grafiitiksi ja ferriitiksi eli mitä enemmän valuraudassa on piitä, sitä suurempi osa hiilestä kiteytyy grafiitiksi. Täten voidaan sanoa että piillä on suuri vaikutus valuraudan lujuuteen ja kovuuteen. [3] Fosfori alentaa raudan sulamispistettä ja parantaa hieman sen juoksevuutta. Kuitenkin fosfori alentaa valuraudan lujuusominaisuuksia ja tekee raudan kylmähauraaksi, mistä syystä suurta fosforipitoisuutta on vältettävä. [7] Mangaanin tärkein ominaisuus on sen kyky pienentää haitallisen rikin vaikutusta. Se yhtyy rikkiin muodostaen manganisulfidia joka poistuu ainakin osittain kuonan mukana. Mangaanin on lisäksi todettu pienentävän raudan imutaipumuksia. [7] Nikkeliä käytetään varsinkin seostettuihin valurautoihin. Se edistää piin tavoin grafiitin erottumista sekä hienontaa valuraudan kiderakennetta ja pienentää seinämäherkkyyttä. Kupari toimii valuraudassa hyvin pitkälti nikkelin tavoin. [9] Kromi on voimakas karbidien stabilisaattori joka lisää raudan kovuutta sekä parantaa valuraudan kulutuksen ja kuumuudenkestävyyttä. Myös molybdeeni stabilisoi karbideja ja lisää raudan vetolujuutta ja iskusitkeyttä. [9] Raudan kupoliuunisulatuksessa käytetään kuonon muodostukseen kalkkikiveä. Kalkkikiven merkitys kuonanmuodostajana perustuu siihen, että kalkkikivi sitoo uunin vuorauksesta tai panoksesta peräisin olevaa vaikeasti sulavaa, hapanta piidioksidia helposti sulavaksi kalsiumsilikaatiksi, jolloin kuona tulee liukoiseksi. Kalkkikiveä kuumentamalla saadaan poltettua kalkkia, jota käytetään kuonan muodostajana teräsuuneissa ja senkkametallurgiassa. Fluorisälvällä voidaan parantaa kuonan juoksevuutta joka vähentää raudan sulatustappioita ja edistää rikin siirtymistä kuonaan. Fluorisälpä kuitenkin syövyttää uunin vuorausta erittäin voimakkaasti, josta syystä sen käyttöön turvaudutaan happamessa sulatuksessa yleensä vain häiriötapauksissa. Vesijäähdytetyissä ja vuorauksettomissa uuneissa emäksisesti sulatettaessa käytetään runsasta kalkkikivilisäystä ja fluorisälpää kuonan juoksevuuden parantamiseksi. 18

19 Soodaa eli natriumkarbonaattia käytetään rikinpoistoon kalkkikiven ohella. Kalsiumkarbidia käytetään pulverimaisena valurautojen rikinpoistoon. 4.3 Valujen lämpökäsittelyt Lämpökäsittelyillä muutetaan materiaalin ominaisuuksia kuten lujuutta, sitkeyttä ja työstettävyyttä. Taloudellisista syistä valut pyritään kuitenkin saattamaan suoraan valun yhteydessä sellaiseksi että ne voitaisiin toimittaa asiakkaalle ilman lämpökäsittelyitä eli valutilaisena. Lämpökäsittely on kuitenkin usein välttämätön tai parantaa merkittävästi valun arvoa. [2] Pehmeäksihehkutuksella alennetaan valuraudan kovuutta ja lujuutta työstön helpottamiseksi. Pehmeäksihehkutus voidaan tehdä kolmella eri tavalla joita ovat - lujuusominaisuuksia säästävä matalahehkutus - perliitin ferritoiva keskihehkutus - korkeahehkutus valkoiselle valuraudalle primäärisementiitin hajottamiseksi [7] Jännitystenpoistohehkutuksella eli myöstöllä vähennetään rakenteessa olevia jäännösjännityksiä jonka on tarkoitus estää kappaleen muodonmuutoksia työstön tai käytön aikana. Täydelliseen jännitysten poistoon ei normaalisti pyritä koska halutaan välttää mahdolliset muutokset raerakenteessa. Hehkutusaika valitaan seinämänpaksuuden, lämpötilan ja toivotun jännitystason mukaan ja se on normaalisti 1 tunti 25 mm ainepaksuutta kohden jonka jälkeen hehkutettavien kappaleiden annetaan jäähtyä hitaasti. Aikoinaan suositeltu pitkäaikainen varastointi ulkoilmassa jännitysten poistamiseksi on todettu käytännössä hyödyttömäksi. [7] Normalisoinnissa tasataan rautametallin mikrorakenne tai hienonnetaan raekokoa, jolloin materiaalille saadaan hyvä sitkeys sekä työstettävyys. Normalisointia tai homogenisointia voidaan käyttää myös muiden lämpökäsittelyjen esikäsittelynä. Pintakarkaisumenetelmissä kappaleen pinnasta saadaan kova ja kulutuskestävä sisustan säilyessä sitkeänä. Tämän lisäksi pintaan tuotetaan puristusjännitystila. Pintakarkaisu on suoritettu konventionaalisesti liekki- tai induktiokarkaisuna, hiiletyksenä, typpi-hiiletyksenä tai typetyksenä eli nitrauksena. Joissain tapauksissa valuja on pintakarkaistu myös mm. laserilla, TIG- tai plasma-polttimilla. Teräksistä eroten valurautojen pintakarkaisu voidaan suorittaa 19

20 myös sulattavana, jolloin saavutetaan nopeasti jähmettynyt erittäin kova karbidinen pinnan mikrorakenne. Valurauta voidaan myös nuorruttaa eli suorittaa sille karkaisu ja päästö. Karkaisussa kappale kuumennetaan muutosvyöhykkeen yläpuolelle jossa sitä pidetään minuuttia kutakin 25 mm ainepaksuutta kohden jonka jälkeen se karkaistaan öljyyn sekä päästetään määräkovuuteen. [7] Austemperointi eli ausferritointi on lämpökäsittely, jolla valurautaan tuotetaan austeniittisferriittinen matriisin mikrorakenne. Sitä voidaan hyödyntää periaatteessa kaikkien grafiittisten valurautojen mekaanisten ja kulumisominaisuuksien parantamiseen. Ausferriitinen matriisi kykenee myös lujittumaan muokkauksen vaikutuksesta. Austemperoinnissa austenitointihehkutusta seuraava sammutus suoritetaan yleensä suolakylpyyn bainiitin muodostuksen lämpötila-alueella. Austemperointikäsittelyn eteneminen on esitetty kuvassa 5. [2] Kuva 5 Austemperointikäsittely. [1] 4.4 Sulatus ja uunit Valurautojen sulatukseen käytetään sekä kupoliuuneja että sähköuuneja. Induktiouuneista verkkotaajuusuunit olivat vielä 1970-luvulla valurautojen yleisimpiä sulatusuuneja mutta nykyään tehokkaammat keskitaajuusuunit ovat syrjäyttäneet ne lähes kokonaan. Verkkotaajuusuuneja soveltuvat kuitenkin vielä sulan kuumanapitoon. Verkkotaajuus uunien etuna on niiden halvempi hankintahinta mutta toisaalta itse sulatus on hitaampaa ja enemmän energiaa kuluttavaa. Kupoliuunin käyttö rajoittuu pelkästään valuraudan sulatukseen. Niissä sulatetaan suomugrafiittivalurautaa, pallografiittiraudan perusrautaa sekä matalampia laatuluokkaisia tempervaluja varten valkoista valurautaa [8]. Huomioitavaa on että 20

21 kupoliuuniraudasta ei voida valmistaa pallografiittivalurautaa ellei sille suoriteta rikinpoistoa uunin ulkopuolella, esimerkiksi induktiouunissa. Valokaariuunien käyttö valuraudan valmistukseen on epätavallista. Koska sulatus valokaariuunilla on hapettava prosessi jolloin hiilen ja piin saanto jää huonoksi, eivät ne sovi valuraudan jatkuvaan sulatukseen tai kuumanapitoon. Valokaariuunissa on myös huono sulan sekoittuminen jolloin em. aineiden lisääminen ei ole helppoa. [2] 4.5 Sulan käsittelyt Sulatusuunista saatu metalli ei läheskään aina sellaisenaan johda haluttuihin valujen ominaisuuksiin. Tapauksesta riippuen ovat tarpeen tietyt sulankäsittelytoimet kuten tiettyjen seosaineiden lisääminen ja analyysin tarkennus, ei-toivottujen seos- tai oheisaineiden vähentäminen, kiderakenteeseen vaikuttaminen sekä rae tai solukoon pienentäminen [2] Hiilipitoisuuden säätö Kun uunin pohjalla on riittävästi sulaa on sähköuunisulatuksessa aloitettava sulan hiilettäminen. Tehokkain hiiletysaine on grafiitti. Kupoliuunisulatuksessa hiilen saanti sulaan tapahtuu osaksi valuraudan koostumusta läheisesti vastaavista harkkoraudoista ja valurautaromusta sekä osaksi polttoaineena käytettävästä koksista. Hiilettäminen voidaan suorittaa myös Gazal-, kiepposanko tai injektiomenetelmillä. [2] Piipitoisuuden säätö Kupoliuunisulatuksessa suurin osa tarvittavasta piistä saadaan jo panostusvaiheessa raakaaineena käytettävästä harkkoraudasta tai valurautaromusta. Mahdollisesti tarvittava lisäys tapahtuu ferropiin avulla panoksen mukana. Myös induktiouuneissa käytetään piipitoisuuden nostamiseen ferropiitä. Tarvittaessa piipitoisuutta voidaan pienentää lisäämällä sulaan teräsromua. Koska piin läsnäolo sulassa raudassa hidastaa hiilen liukenevuutta tulee pii lisätä vasta hiiletyksen jälkeen. [2, 7] Rikinpoisto Induktiouuneilla valurautaa sulatettaessa voidaan valita vähä-rikkisiä raaka-aineita kuten teräsromu jolloin rikinpoistoa tarvitaan harvoin. Tarvittaessa se voidaan suorittaa induktiouunissa kalsiumkarbidilla ja kalsiumpiillä. Valuraudan rikinpoisto on tehtävä ennen 21

22 mahdollista magnesiumkäsittelyä. Jos magnesium lisätään valusenkassa sandwich - menetelmällä, on rikinpoisto parasta suorittaa jo induktiouunissa jolloin vältytään rikinpoistosenkan käytöltä. [2] Jos rikkipitoisuutta tulee alentaa hyvälaatuisia valurautoja tai pallografiittivalurautaa valmistettaessa, voidaan sulatukseen käyttää duplex-menetelmää. Duplex-sulatuksessa raudan sulatus tapahtuu kupoliuunissa jonka jälkeen sula siirretään esim. induktioupokasuuniin rikinpoistoa ja sulan seostusta varten. Kupoliuunissa sulatetavan raudan jatkuvaan rikinpoistoon soveltuu Gazal-menetelmä. Siinä kuonanerotuskourun jatkoksi laitetaan erityinen rikinpoistoallas kuva 6. Kalsiumkarbidijauhe tai hiiletykseen tarkoitettu grafiittijauhe johdetaan syöttöputkilla kuonattoman raudan pintaan ennen sen joutumista rikinpoistoaltaaseen. Sekoittuminen tapahtuu altaan pohjassa olevan huokoisen tiilen läpi puhallettavan reagoimattoman kaasun avulla joka on tyypillisesti typpeä. Kaasuvirta saa raudan pyörteilemään, jolloin jauhemaiset seosaineet sekoittautuvat siihen tehokkaasti. Kuva 6. Kuva Gazal-menetelmästä. [2] Kiepposanko voidaan käyttää niin valuraudan rikinpoistoon kuin muiden seosaineiden lisäämiseen. Kiepposankomenetelmässä saadaan raudan pinnalla olevat rikinpoistoaineet painumaan sulaan kun sula valurauta kaadetaan kannelliseen tulenkestävällä vuorauksella varustettuun sankoon, joka laitetaan kiertämään tietyn säteistä ympyrää kieputusalustan päällä. Oikealla pyörimisnopeudella muodostuu sulan raudan pinnalle aaltoliike, joka meren rantahyökyjen tapaan murtuu jatkuvasti sekoittaen pinnalla olevat seosaineet sulaan. Karbidin kulutus on tällä menetelmällä hieman pienempi kuin injektiomenetelmällä. Käsittelyaika on tyypillisesti noin min. Käsittelyn jälkeen sula siirretään valua varten valusenkkaan. [2, 7] 22

23 Injektiomenetelmässä puhalletaan kaasun avulla sekoitettavat aineet hienona jauheena sulan pinnan alle mahdollisimman syvälle. Injektiokäsittely voidaan suorittaa kupoliuunin etusäiliössä, sähköuunissa tai valusenkassa. Injektiolaitteissa on säiliöt useampaa eri seosainetta varten. Raudan hiilipitoisuus voidaan ensin nostaa toivotulle tasolle esim. grafiittijauheen avulla, jonka jälkeen rikkipitoisuutta voidaan alentaa kalsiumkarbidijauheella sekä lopuksi suorittaa vielä ymppäys siihen sopivalla aineella. Tyypillinen injektiokäsittely esim. rikin poisto kestää n min. [2] Ymppäys Erityisesti alieutektisilla valuraudoilla alijäähtymisen seurauksena on taipumus jähmettyä valkoisena[7]. Ymppäyksellä tarkoitetaan sopivien seosaineiden lisäämistä rautasulaan edistämään valuraudan jähmettymistä harmaana ja pienirakeisena. Siinä vaikutetaan valuraudan kiderakenteeseen ja ominaisuuksiin niin että vaikutus raudan koostumuksessa on vähäinen. Ymppäyksen avulla voidaan - estää karbidien muodostuminen - lieventää särmäkovuutta - parantaa valuraudan mekaanisia ominaisuuksia - tasoittaa kovuuden vaihteluita eripaksuisten seinämine välillä [7] Ymppäys on tehokkainta hiiliekvivalenttiarvon ollessa pieni. Ymppäyksen jälkeen valun tulisi tapahtua mahdollisimman nopeasti koska ymppäysvaikutus vaimenee jos sula joutuu odottamaan valutapahtumaa. Jos valu ei tapahdu lähimpien minuuttien aikana käsittelystä, voidaan joutua tekemään ns. elvytysymppäys[7]. Muita ymppäyksen onnistumiseen vaikuttavia tekijöitä ovat: - oleellisesti panoksen koostumus; karbidoivat seosaineet lisäävät luonnollisesti ymppäystarvetta - ymppäyslämpötila; lämpötilassa C saadaan parempi ydintiheys ja hitaampi vaimeneminen kuin ylemmissä lämpötiloissa. Matalia alle 1350 C ei suositella. - valettavan kappaleen koko [5] Ymppäys voidaan suorittaa usealla eri tavalla. Ymppäysaine, joka voi olla ns. grafitoivaa tai perliittiä stabiloivaa, voidaan lisätä jauheena jota kutsutaan valusuihkumenetelmäksi tai lankana jota kutsutaan lankaymppäysmenetelmäksi. Perusymppäys suoritetaan tavallisesti laskettaessa 23

24 rautaa uunista valusenkkaan, jolloin ymppäysaine kaadetaan tasaisena virtana valusuihkuun tai ymppäysaineet voivat olla sijoitettuna valmiiksi senkan pohjalle. Yhtenä mahdollisuutena on myös ns. muottiymppäys jossa ymppäysaineet on sijoitettu jauheena tai pelletteinä muotin pohjalle[2]. Ymppäys voidaan suorittaa myös injektiolaitteilla mutta yksinomaan ymppäystä varten injektiolaitteiden hankkiminen ei ole taloudellisesti järkevää[7]. Tehokkaimpia ymppäysmenetelmiä ovat injektio- ja muottiymppäys koska ymppäysaineiden teho on suurin kun se toimii ilman happea eli tässä tapauksessa sulan pinnan alla. Ymppäysaineet ovat tehoaineita, joiden avulla määrällisesti pienillä lisäyksillä saadaan aikaan ajallisesti rajoitettu vaikutus sulan metallin jähmettymistapahtuman kulkuun. Yleisin ymppäysaine on 75 % FeSi koska puhtaan ferropiin ymppäysvaikutus on heikko. Myös calsiumpiitä CaSi käytetään 30 % seoksena. Kalsiumpii on tehokkaampi alieutektisten valurautojen ymppäyksessä ja FeSi ylieutektisten valurautojen ymppäyksessä. [2] Pallouttaminen Yleisin menetelmä pallografiittiraudan palloutuksessa on palloutusaineen lisääminen avonaiseen valusenkkaan johtuen sen yksinkertaisuudessa. Tästä seurauksena on kuitenkin voimakas MgO-kaasujen muodostus, kirkas valoilmiö palloutusaineen palaessa sekä huono saanto. [2] Avosenkkamenetelmistä yleisin on voileipä- eli Sandwich-menetelmä. Siinä palloutusaine sijoitetaan valusangon pohjalle ja peitellään teräslevyn kappaleilla höyrystymisnopeuden pienentämiseksi, kuten kuvassa 7 näytetään. Menetelmän etuina ovat vaivattomuus ja nopeus mutta haittapuolena suuret lämpötilahäviöt. Sandwichmentelmän saanto on parhaimmillaan vain n. 40 %. [2, 7] 24

25 Kuva 7 Sandwich-menetelmä /2/ Upotinmenetelmässä käytetään tulenkestävää upotinta palloutusaineen upottamiseksi sulan pinnan alle. Upottimen yläpuolella oleva senkan kansi sulkee senkan niin että palloutusaineen kiivaan reaktion aiheuttamat roiskeet eivät pääse lentämään ympäristöön. Lisäksi on tapana siirtää valusenkka käsittelyn ajaksi imurilla varustettuun kaappiin jotta estetään MgO-kaasujen leviäminen valimoon. Tehokkain tapa pallouttaa rautaa on konvertterimenetelmä, jossa palloutusaineet laitetaan vaaka-asennossa olevan konvertterin pohjalle josta ne sekoittuvat sulaan konvertterin pystyynnostamisen yhteydessä. Konvertterikäsittelyssä palloutuksen saanto voi olla yli 50 % mutta sen käyttöä rajoittaa laitteiden kalleus sekä menetelmän lisenssimaksut. [2] Tundish-kammiosankomentelmässä palloutusaine laitetaan väliseinällä kaksiosaiseksi jaetun sangon pohjalle jossa se pääsee sekoittumaan sulaan rauhallisesti jolloin huurujen muodostus ja kuonan muodostus jäävät vähäiseksi. Myös lämpötilahäviöt jäävät pienemmiksi verrattuna avosankomenetelmiin. Saanto voi parhaimmillaan olla jopa %. [7] Grafiitin palloutus voidaan tehdä myös lisäämällä magnesiumlankaa käsittelysenkkaan joka mahdollistaa pallografiittivaluraudan valmistamisen myös kupoliuuniraudasta. Kuitenkin jos palloutettava rauta sisältää runsaasti rikkiä muodostuu lisäaineen käytön myötä menetelmä kalliiksi ja kuonan muodostus runsaaksi. Tosin käsittely kestää vain joitakin minuutteja ja lämpötilahäviöitä ei juurikaan tule. [2] Paras palloutusaineiden saanto saadaan ns. Inmold-menetelmällä jossa palloutusaine lisätään rautaan vasta muotin sisällä valun suoritushetkellä. Parhaimmillaan saanto voi nousta %. 25

26 Menetelmän etuna on todettava että se ei vaadi erikoislaitteita ja voidaan suorittaa yhdessä ymppäyksen kanssa samanaikaisesti. Toisaalta Inmold-menetelmä sopii vain suurehkoille kappaleille sen vaatiman ajan vuoksi. [7] Palloutusaine voidaan lisätä sulaan myös aiemmin esitetyillä kiepposangolla tai injektiomenetelmällä. [2] 26

27 Lähdeluettelo 1. Meskanen, Niini, Orkas. Valimotekniikan perusteet -CD-ROM. Valimoinstituutti, Meskanen, Niini, Orkas. Sulatus ja valutekniikka -CD-ROM. Valimoinstituutti, ISBN Lindroos, Sulonen, Veistinen. Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi. Keuruu: Otava, ISBN Ihalainen, Aaltonen, Aromäki, Sihvonen. Valmistustekniikka. Jyväskylä: Gummerus Kirjapaino Oy, s. ISBN Opintomateriaali kurssilta Metallien valuominaisuudet, Laitinen et al. Konetekniikan materiaalioppi. Helsinki: Painatuskeskus Oy, 1995, 324 s. ISBN Autere, Ingman, Tennilä. Valimotekniikka 1. Helsinki: Insinööritieto Oy, s. 8. Airila et al. Koneenosien suunnittelu 1. Porvoo: WSOY, s. ISBN Autere. Tekniikan käsikirja 2. Jyväskylä: K.J. Gummerus Oy, s. 10. Autere, Ingman, Tennilä. Valimotekniikka 2. Helsinki: Insinööritieto Oy, s. ISBN X. 11. Meskanen, Niini, Orkas. Kertamuottitekniikat CD-ROM. Valimoinstituutti, ISBN Heijari et al. CADista komponentiksi. Helsinki: Teknillinen korkeakoulu, s. ISBN