Hiekkamuottimenetelmät

Transkriptio

1 Hiekkamuottimenetelmät Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök, Valimoinstituutti Johdanto Valumenetelmät jaetaan muotin käyttötavan mukaan kerta- ja kestomuottimenetelmiin. Hiekkavalussa sekä keraamisiin tai kipsimuotteihin valettaessa käytetään valun jälkeen hajotettavaa kertamuottia. Kertamuottien valmistus vaatii aina mallin, joka voidaan valmistaa puusta, muovista, vahasta tai metallista. Sen kestävyys sekä valmistuskustannukset vaihtelevat riippuen mallimateriaalista. Metallinen malli on kallis, mutta se kestää parhaimmillaan yli kaavausta. Valetuilla epoksihartsimalleilla voidaan päästä kappaleen sarjoihin. Valettuja malleja on myös helppo monistaa ja uusia, jos mallinegatiivi säilytetään. Puumallit ovat hinnaltaan suhteellisen edullisia, mutta korkeimmassakin laatuluokassa niillä päästään vain noin kaavauskertaan. Vahamallit ovat kertakäyttöisiä. Kuva 1. Tavanomaiset käyttöalueet kertamuoteille Kestomuottimenetelmissä muotit valmistetaan yleensä metallista, mutta myös keraamisia ja grafiitista tehtyjä kestomuotteja käytetään. Jotta valukappaleen voi poistaa muotista, tulee sen olla avattava. Kestomuottimenetelmät edellyttävät sarjatuotantoa. Valukappaleet ovat mittatarkempia kuin hiekkamuotteja käyttävissä menetelmissä. Metallimuottia käytettäessä sula jähmettyy huomattavasti nopeammin kuin kertamuotissa, keraamisessa kestomuotissa tai grafiitista valmistetussa kestomuotissa. Tämän ansiosta valukappaleisiin saadaan hienojakoinen mikrorakenne sekä paremmat mekaaniset ominaisuudet. Valuraudat ovat Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 1

2 kuitenkin poikkeus. Useimpien valurautojen rakenne edellyttää grafiitin erkautumiselle sopivaa jähmettymisnopeutta. Metallista valmistettu muotti tuottaa niin suuren jähmettymisnopeuden, että grafiitti ei erkaudu, vaan muodostaa valkeille valuraudoille tyypillisen martensiittisen rakenteen. Muotin kestävyys riippuu pääasiassa valettavasta metallista. Valulämpötilan kohotessa muotin kestoikä lyhenee. Myös muotin raaka-aine, huolto ja korjaus, käytetty valumenetelmä sekä valukappaleen muoto vaikuttavat muotilla saatavien valukertojen lukumäärään. Kertamuottimenetelmät voidaan jaotella esimerkiksi kaavaustekniikan, kaavausmassan tai mallitekniikan mukaisesti. Tässä oppimateriaalissa kertamuottimenetelmät jaotellaan kaavausmassan mukaan: valuna hiekkamuottiin, keraamiseen muottiin ja kipsimuottiin. Kertamuottimenetelmät soveltuvat kipsimuottia lukuun ottamatta myös kaikkein korkeimmissa lämpötiloissa sulavien valumetallien eli esimerkiksi valurautojen, terästen ja korkean lämpötilan superseosten valamiseen. Kipsimuotteja käytetään alumiini-, kupari- ja sinkkiseosten valamiseen. Hiekkavalumuotti Hiekkavalumuotti koostuu muottipuoliskoista ja keernoista. Mikäli muotissa on enemmän kuin kaksi puoliskoa, olisi selkeämpää käyttää nimitystä muottiviipale. Muotin alempaa puoliskoa kutsutaan alamuotiksi tai alapuoliskoksi (drag). Ylempää puoliskoa kutsutaan ylämuotiksi tai yläpuoliskoksi (cope). Muottipuoliskojen tai -viipaleiden välinen pinta on nimeltään jakopinta (parting surface, parting). Valukappaleessa pinta muodostaa jakolinjan (parting line), jonka molemmin puolin muotoillaan mallin vetosuuntaiset eli irrotussuuntaiset hellitykset (draft). Keerna (core) on irrallinen, kovetetusta hiekasta valmistettu, muottiin sen kokoonpanovaiheessa asetettava osa, jolla muotoillaan valukappaleen sisäpuolisia ja ulkopuolisia vastahellityksellisiä muotoja tai vahvistetaan suurelle rasitukselle altistuvia muotin osia. Keerna pyrkii nousemaan valun aikana ylöspäin sulan metallin aiheuttaman nosteen vaikutuksesta. Tästä syystä se on tuettava huolellisesti paikoilleen. Tuentaa varten keernaan muotoillaan keernakannat, joiden varassa se lasketaan muotissa oleviin keernansijoihin (core print). (Kuva 2) Kuva 2. Keernan tuenta muotissa. Keerna pyrkii siirtymään valun aikana ylöspäin sulan metallin nosteen vaikutuksesta. Keernalla ja sulalla on suuri tiheysero. Keernan syrjäyttämän sulan massa on 2 3 kertaa suurempi keernan massaan verrattuna. Keernassa olevia tukia kutsutaan keernakannoiksi. Keerna lasketaan niiden varassa muotissa oleviin keernansijoihin. Esimerkkikuvassa oleva valukappale on putkimainen. Putkimaisen kappaleen keerna on helppo tukea muottiin, koska sen kannat ovat yleensä suurikokoiset ja niitä on vähintään kaksi. Esimerkkikuvassa keernalla on kolme suurikokoista kantaa. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 2

3 Valukappaleet, joissa on keernoilla muotoiltavia sisäpuolisia muotoja, voidaan jakaa putkimaisiin (Kuva 2 - Kuva 4, Kuva 9) ja kotelomaisiin (laatikkomaisiin) (Kuva 5 ja Kuva 6) rakenteisiin sekä sivuille avonaisiin kerrosmaisiin rakenteisiin (Kuva 7). Näiden lisäksi keernoja käytetään kappaleen ulkopuolisten muotojen muotoamiseen (Kuva 8). Putkimainen rakenne on usemmissa tapauksissa yksinkertaisin ja varmin tukea. Kotelomainen rakenne tuottaa eniten vaikeuksia, koska kantoja on vain yksi. Ulkopuolisten keernojen tuentamahdollisuudet riippuvat valukappaleen muodoista. Kuva 3. Putkimainen rakenne valukappaleessa. Suora keerna kahdella kannalla. Kappaleessa on massiivinen seinämä. Kuva 4. Keerna pyrkii sulan nostevaikutuksen vuoksi nousemaan valun aikana. Seinämänpaksuus kasvaa alhaalla ja vähenee ylhäällä. Vasemmalla: Suora keerna, jossa on kaksi keernakantaa. Mikäli keernansijat ovat väljät, keerna nousee ylämuotin keernansijan yläpintaan. Väljyys voi johtua suunnitteluvirheestä, kaavausvirheestä tai muotin huonosta sulkeutumisesta. Oikealla: Kaareva keerna kahdella kannalla. Nostevaikutus pyrkii kiertämään keernaa, jonka muoto on jokin muu kuin pyörähdyssymmetrinen. Keerna täytyy lukita kannoistaan siten, että kiertyminen estyy. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 3

4 Kuva 5. Kotelomainen kappale. Keernassa on vain yksi kanta. Jotta sulan noste ei pääsisi liikuttamaan keernaa valun aikana, se tuetaan laipasta alamuottiin (kuva vasemmalla) tai ripustetaan ylämuottiin (kuva oikealla). Kuva 6. Kotelomainen valukappale. Mikäli kotelomaisen valukappaleen keerna täytyy asettaa vaaka-asentoon, se tuetaan sulan nostetta vastaan keernatuilla eli keernapalleilla. Tällaista ratkaisua ei suositella. Kuva 7. Valukappale, jossa on sekä kerrosmaisia että putkimaisia rakenteita. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 4

5 a) b) c) d) Kuva 8. Kappaleen ulkopuolisten muotojen muotoaminen keernan avulla. a) Valukappale. b) Keerna ja kappale yhdessä. c) Keerna. d) Keerna muotissa. Keernan tuentamahdollisuudet riippuvat valukappaleen muodoista. Keerna tulisi tukea siten, että se pysyy valun aikana paikoillaan kaikissa suunissa eli se ei pääse kiertymään tai nousemaan ylöpäin eikä liikkumaan sivuille, eteen tai taakse. Mikäli keerna on pitkä ja kapea tai siinä on muuhun muotoon nähden huomattavan kapeita kannaksia, se vahvistetaan keernalangalla tai raudoituksin. Lankojen ja raudoitusten tarkoituksena on lisätä keernan sitkeyttä. Yleensä pyritään kuitenkin ensisijaisesti valitsemaan keernoille sellainen valmistusmenetelmä ja materiaali, että vahvistusta ei tarvita. Yhteen liitetyt muottipuoliskot, tarkemmin ilmaistuna niiden sisällä oleva muottipesä (mo(u)ld cavity), muotoavat valettavan tuotteen yhdessä keernojen kanssa. Muottipesiä voi olla useampi kuin yksi. Muottia kuvataan pesien lukumäärän mukaan käsitteillä yksipesäinen muotti, kaksipesäinen muotti, kolmipesäinen muotti jne. sekä käsitteellä monipesäinen muotti. Muottipuoliskoihin sisältyy muottipesän tai muottiontelon lisäksi muitakin toiminnallisia osia. Näitä ovat valukanavisto (gating system), syötöt (risers) ja tarvittaessa kaasunpoistojärjestelmä (vents). Valukanavisto on reitti, jonka kautta sula valumetalli johdetaan muottipesiin. Sen pääosat ovat kaatoallas tai kaatosuppilo (pouring basin, pouring cup, funnel), kaatokanava (sprue), jakokanava (runner) ja valukanava (gate, ingate). (Kuva 9 - Kuva 11) Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 5

6 Syötöt eli syöttökuvut tarjoavat korvausmetallia, jolla kompensoidaan valumetallin sula- ja jähmettymiskutistumat. Niiden lisäksi valukappaleeseen voi olla tarve lisätä syöttötäytteitä eli valukappaleesta syöttöön johtavaa ylimääräistä materiaalia. Syötöt voidaan asettaa valukappaleen päälle (Kuva 9) tai sivuille (Kuva 10 ja Kuva 11). Sivuilla olevia syöttöjä kutsutaan sivusyötöiksi (side riser). Päällä oleville syötöille (top riser) ei ole olemassa erityistä suomenkielistä nimeä. Kuva 9. Muotin päärakenneosien nimityksiä. Kuva 10. Hiekkamuotin valu- ja syöttöjärjestelmän pääosat. Kuvat sivulta ja päältä. Valujärjestelmän osia ovat Kaatoallas, kaatokanava, jakokanava, valukanava ja valuportti. Syöttöjärjestelmän pääosia ovat syöttökuvut. Kuvan esimerkissä syöttökuvut on sijoitettu kappaleen sivuille. Ne voitaisiin sijoittaa myös kappaleen päälle. Joissain tapauksissa jähmettymistä ohjataan kupujen lisäksi jäähdytyskappaleilla eli kokilleilla (chill). Jäähdytyskappale on metallinen tanko, levy tai valettavan kappaleen pintojen mukaan muotoiltu osa. Se asetetaan mallin päälle haluttuun kohtaan ja kaavataan hiekan sisään kiinteäksi osaksi muottia. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 6

7 Vaikka valumetalli on suorassa kosketuksessa jäähdytyskappaleeseen, se ei kuitenkaan takerru valukappaleeseen kiinni niin tiukasti, ettei poistaminen olisi valun puhdistuksen yhteydessä mahdollista. Kiinni takertumista ehkäistään peitosteilla. Kuva 11. Hiekkamuotin valu- ja syöttöjärjestelmän osia muotin sisällä. Kaksipesäinen muotti. Kuva 12. Kaksi muottiin kaavattua jäähdytyskappaletta eli chillia. Jäähdytyskappale asetetaan valumallin päälle ja kaavataan kiinteäksi osaksi muottia. Kaasunpoistojärjestelmä johtaa muottipesässä olevat ja valun aikana muodostuvat kaasut pois muotin sisältä. Se rakennetaan poraamalla tai pistelemällä muottiin ja keernoihin reikiä, raaputtamalla muotin jakopinnalle muotista ulos johtavia matalia uria tai kaavaamalla hiekan sisään kanavisto ilmanpoistonarun eli luhtinarun avulla. Luhtinarua käytetään erityisesti suurikokoisten keernojen ilmastointiin. Täyttöjärjestelmä, syöttökuvut ja osin kaasunpoistojärjestelmäkin täyttyvät metallilla ja ne on poistettava valmiista valusta. Valujärjestelmällä lisättyä valukappaleen painoa kutsutaan valun bruttopainoksi. Valukappaleen painon ja valun bruttopainon suhdetta kutsutaan nimellä valun saanto. Mitä suurempi on valujärjestelmän osuus suhteessa kappaleen painoon, sitä heikompi on saanto. Teräksillä saanto on luokkaa % ja valurautakappaleilla %. Hiekkamuotin muottiviipaleet valmistetaan valumallin avulla sopivalla sideaineella käsitellystä hiekasta. Keerna valmistetaan keernamuotissa eli keernalaatikossa niin ikään sideaineella käsitellystä hiekasta. Keernojen ja muottiviipaleiden valmistusta kutsutaan kaavaamiseksi. Sideaineella lisätty hiekka kovetetaan kaavaamisen aikana. Sideaine ja kovettamismenetelmä muodostavat yhdessä hiekan sideainejärjestelmän. Käsittelemätöntä hiekkaa kutsutaan raakahiekaksi. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 7

8 Raakahiekkana käytetään yleensä kvartsihiekkaa, toisinaan myös oliviinihiekkaa, kromiittihiekkaa tai zirkonihiekkaa. Hiekan käyttökelpoisuus eri metallien valamiseen riippuu pääosin sen sintraantumislämpötilasta, mutta myös kemiallisista ominaisuuksista. Sintraantumislämpötila on lämpötila, jossa hiekkarakeet alkavat tarttua kiinni toisiinsa ja reagoida valumateriaalin kanssa. Sintraantumislämpötila riippuu hiekan perusmineraalin sulamislämpötilasta ja hiekan epäpuhtauspitoisuudesta. Kvartsihiekalla on taipumus reagoida valettavassa rautametallissa olevan rautaoksidin kanssa rautasilikaatiksi. Reaktio vaatii suhteellisen korkean lämpötilan eikä tästä syystä ilmene kaikilla valumetalleilla. Terästen valulämpötilat ovat riittävän korkeita, joten niille kvartsihiekka soveltuu muita hiekkalaatuja huonommin. Ongelmaa voi pienentää muotin peitostamisen avulla. Hiekkamuotit jaetaan sideaineen perusteella: 1. Tuorehiekkamuotteihin (green sand). Tuorehiekan sideaine on bentoniittia ja vettä. Sideaineella sidottu hiekka kovetetaan mekaanisesti sullomalla. Mekaanisesti sullottava, bentoniitilla ja vedellä sidottu hiekka on ainoa konekaavaukseen sopiva sideainejärjestelmä, mutta sitä käytetään suhteellisen yleisesti myös käsin kaavauksessa. Tuorehiekasta ei useimmiten valmisteta keernoja. 2. Kylmänä kovettuviin hiekkamuotteihin (no-bake). Kylmänä kovettuvissa hiekkamuoteissa sideaine voi olla orgaaninen tai epäorgaaninen. Epäorgaanisia sideaineita ovat sementti ja vesilasi. Orgaanisia sideaineita ovat furaani- ja fenoli-formaldehydihartsit. Sideaine kovetetaan yhdessä nestemäisellä kovetteella. Kovete sekoitetaan hiekkaan yhdessä sideaineen kanssa. Muotit kaavataan käsin. Kaikilla kylmänä kovettuvilla sideainejärjestelmillä voi valmistaa myös keernoja, mikäli muoto on riittävän yksinkertainen. 3. Kuumana kovettuviin hiekkamuotteihin (kuorimuotti eli Croning). Kuumana kovetettavien hiekkamuottien sideaineena on orgaaninen novolakkatyyppinen fenoliformaldehydihartsi yhdistettynä heksametyleenitetramiiniin. Hiekka ostetaan yleensä valmiiksi sideaineella päällystettynä. Muotti kovetetaan lämmön avulla. Se kaavataan yleensä kuorimuottikoneella, mutta käsin kaavaaminen on myös mahdollista. Kuorimenetelmällä valmistetaan muottien lisäksi keernoja, joita kutsutaan kuorikeernoiksi. Kuorikeernoja voi käyttää kuorimuottien lisäksi myös muulla tavoin valmistetuissa hiekkamuoteissa. Kuorimuottimenetelmällä saavutetaan tavallista hiekkavalua parempi mittatarkkuus ja pinnanlaatu. Menetelmällä voidaan valmistaa ohutseinämäisiä ja siten myös kevyitä kappaleita. Yksityiskohdat voivat myös pienikokoisempia ja hellitystarve vähäisempi kuin muilla hiekkavalumenetelmillä. Kovettamisen vaatimien lämpötilojen vuoksi on käytettävä metallista valmistettuja malleja ja keernalaatikoita. Keernat voidaan valmistaa kylmänä kovettuvista hiekkaseoksista käsin sullomalla tai kuumana kovettuvista hiekkaseoksista kuorikeernakoneella, mikäli keernan muoto tätä tukee. Molemmissa tapauksissa keernan on oltava muodoiltaan siinä määrin suurikokoinen ja yksinkertainen, että hiekka on mahdollista täyttää keernalaatikkoon ilman ulkoista voimanlähdettä. Pienikokoiset, hienoja ja/tai hankalasti täyttyviä yksityiskohtia sisältävät keernat valmistetaan keernatykillä. Keernatykki täyttää sideaineella lisätyn hiekan keernalaatikkoon paineilman avulla, jolloin hyvin monimutkaisia ja ohuitakin muotoja on mahdollista saada täyttymään. Keernatykillä käytetään kaasukovetteisia (cold-box) sideainejärjestelmiä. Kovettuminen tapahtuu hyvin nopeasti. Lopputuloksena on mittatarkka ja luja keerna, jonka pinnanlaatu on hyvä. Keernatykki valitaan toisinaan valmistusmenetelmäksi nopeuden ja laatuominaisuuksien vuoksi. Siitäkin huolimatta, että keernan muoto mahdollistaisi manuaalisen valmistuksen. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 8

9 Hiekkamuottien kaavaus Kaavaus on hiekkamuottitekniikkaan kuuluva työvaihe, jonka aikana valmistetaan muotti ja keernat sideaineella lisätystä hiekasta. Muotin kaavaukseen tarvitaan paitsi 1) valumalli myös 2) kaavausalusta tai mallipohja sekä 3) kehys, jonka sisälle kaavaushiekka lasketaan (Kuva 13 ja Kuva 16). Kaavausalustaa tai mallipohjaa vasten muodostuva hiekkapinta muodostaa muotin jakopinnan (Kuva 14). Hyvin suuret valukappaleet ovat poikkeus. Ne kaavataan maahan kaivettuun kuoppaan ilman kehyksiä. Keernojen kaavaukseen tarvitaan keernalaatikko. Kuva 13. Vasemmalla: Kehyksellisen muotin kaavaukseen tarvittavat välineet: Valumalli, kaavausalusta ja kaavauskehys. Kaavaus tehdään jaetulla irtomallilla. Oikealla: Kaavaushiekka lasketaan kaavausalustalle asetetun valumallin päälle kaavauskehyksen sisään. Kuva 14. Kehyksellisen muotin kaavaus, alamuotti. Vasemmalla: Kemiallisesti kovettuva hiekka painellaan valumallin päälle nopeasti ja tasaisesti. Tuorehiekka sullotaan esimerkiksi paineilmatoimisella laitteella tai kaavauskoneessa. Oikealla: Kovettunut hiekkakakku kehineen nostetaan valumallin päältä pois ja käännetään. Nostoliike täytyy tehdä mahdollisimman suoraan ylöspäin, jotta hiekkapinta ei rikkoudu. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 9

10 Kaavauksen jälkeen muotin osat jälkikäsitellään peitosteella, jos valettava metalli näin vaatii. Peitoste on tulenkestävää, ohutta jauhemaista ainetta, joka sekoitetaan lietteeksi vesi- tai alkoholipohjaiseen nesteeseen. Levityksen jälkeen peitoste kuivataan uunissa, polttamalla tai vapaasti ilmassa. Peitostuksen jälkeen muotti kootaan. Kokoamiseen kuuluu keernojen asettaminen paikoilleen ja muottipuoliskojen tai -viipaleiden asettaminen päällekkäin. (Kuva 15) Kuva 15. Muotin kokoaminen. Muottiontelon pinnat peitostetaan, jos valettava metalli ja kaavaushiekka näin vaativat. Keernat asetetaan alamuottiin paikoilleen ja muotti suljetaan. Irtomallikaavauksessa muottipuoliskot ohjataan ohjaustupien eli tässä tapauksessa kehystupien avulla toisiinsa. Kuva 16. Kehyksellinen kaavaus pohjitetulla mallilla. Muottipuoliskot ohjataan toisiinsa ohjaustupien, tässä tapauksessa jakopintatupien avulla. Jakopintatupit voivat olla irrallisia, kuten kuvan esimerkissä. Ne voidaan kaavata myös hiekkaan, jolloin niistä käytetään nimitystä hiekkatupi. Muotin jakopinta muotoutuu mallipohjaa vasten. Kaavaus jaetaan käsin- ja konekaavaukseen sen mukaan tapahtuuko kaavaus käsityönä vai kaavauskoneilla. Käsinkaavausmenetelmä valitaan esimerkiksi, jos valmistettavana on hyvin suuri tai Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 10

11 monimutkainen, konekaavaukseen sopimaton valukappale. Tai jos valmistettavana on kappale, joka sopii käsinkaavauksessa käytettäville sideainejärjestelmille, sen sarjakoko ei ole kymmenien tuhansien luokkaa ja hyväksi havaittu yhteistyövalimo soveltaa tätä tekniikkaa. Käsinkaavausta sovelletaan paljon myös yksittäiskappaleiden ja lyhyiden sarjojen valmistuksessa, koska käsinkaavausmallit voidaan valmistaa konekaavausmalleihin verrattuna pienemmillä kustannuksilla ja tuotannon käynnistäminen sujuu nopeammin. Muottien käsinkaavauksessa käytetään useimmiten kylmänä kovettuvia, furaani- tai fenoliformaldehydihartsilla sidottuja hiekkoja, mutta tuorehiekan käyttö on myös mahdollista. Hartsihiekka täytetään kaavauskehyksiin suoraan ruuvi- eli syöttösekoittimesta. Käsin kaavattava tuorehiekka lasketaan sekoittimesta kaavauskehyksiin joko suoraan tai välivaraston kautta. Välivarastona voi toimia nosturilla tai rullaradalla kuljetettava astia tai pienimuotoisessa kaavaustoiminnassa esimerkiksi kottikärryt. Vaikka kaavausmenetelmä on manuaalinen, useat sarjatuotantovalimot soveltavat automaatiota muottien käsittelyssä ja keernojen valmistuksessa. Muottipuoliskojen kääntö ja mallin irrotus voidaan esimerkiksi tehdä erityisen koneen avulla (Kuva 17). Pienet muotit voidaan käsitellä kokonaan manuaalisesti. Isot ja painavat muotit on käsiteltävä nosturilla tai nosturiin kiinnitetyllä apuvälineellä, mikäli muita käsittelylaitteita ei ole (Kuva 18). Muottien konekaavauksessa käytetään yksinomaan tuorehiekkaa. Konekaavaus sopii parhaiten pienille ja keskikokoisille, sarjaluonteisesti valmistettaville ja suhteellisen yksinkertaisille valukappaleille. Valukappaleen on oltava yksinkertainen siten, että se voidaan valmistaa muottiin, jossa on ainoastaan yksi jakopinta. Tuorehiekan kovettaminen tapahtuu puristusta, täristystä, alipainetta, ylipainetta tai näiden yhdistelmiä käyttäen. Keernat valmistetaan käsin tai konekaavauksena - riippumatta muottien valmistusmenetelmästä. Keernojen konekaavaus tapahtuu keernatykillä. Keernatykki on laite, joka siirtää kaavaushiekan keernalaatikkoon paineen avulla. Keernatykillä käytetään kaasulla kovetettavia sideainejärjestelmiä. Kuva 17. Pullakaavatun muotin koneellinen mallin irrotus ja koneellinen kääntö. Kuva: Southern Aluminum Foundry & Machine, Inc. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 11

12 Kuva 18. Nosturiin kiinnitetty apuväline pullakaavatun muotin kääntämiseen ja sulkemiseen. Kuva: Southern Aluminum Foundry & Machine, Inc. Konekaavattava keernalaatikko on mahdollista täyttää hyvin pienistäkin aukoista (Kuva 20). Keernan muoto voi lisäksi olla hienopiirteinen ja monimutkainen. Käsin kaavattava keernalaatikko vaatii suuret täyttöaukot ja suhteellisen yksinkertaiset muodot (Kuva 19). Käsin kaavattavat keernat valmistetaan samoilla kemiallisesti kovettuvilla sideainejärjestelmillä kuin käsin kaavattavat muotit. Muottiin valmistetaan kaavauksen yhteydessä valujärjestelmä. Valujärjestelmä koostuu täyttö- ja syöttöjärjestelmistä sekä joissain tapauksissa myös ilmanpoistojärjestelmästä. Täyttöjärjestelmä siirtää valumetallin muottionteloon. Syöttöjärjestelmä korvaa sulan metallin jähmettymisen aikana tapahtuvan kutistuman. Ilmanpoistojärjestelmä tarvitaan, mikäli on epäilys, että muotin sisällä valun aikana muodostuvat kaasut eivät pääse poistumaan esteettä. Kuva 19. Käsin kaavattava keernalaatikko. Laatikossa on oltava suhteellisen suuret täyttöaukot, jotta hiekka on mahdollista täyttää kaikkiin laatikon muotoihin. Vasemmalla: Näkymä keernalaatikon sisälle. Puoliskot ohjataan toisiinsa nohjausnastoilla ja lukitaan salvoilla. Oikealla: Keernalaatikko yhdessä täyttöasennossa. Keernan muodosta johtien laatikkoa on käännettävä täyttämisen aikana. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 12

13 Kuva 20. Simulaatio keernalaatikon täyttämisestä keernatykin avulla. Simulaatiossa käytetty keernatykki täyttää keernalaatikon sen päälle asettuvien suuttimien kautta. Kuvien lähde Waupaca Foundry cold box core making, Kaavauskehykset Lähteet: Keskinen Raimo - "Muotinvalmistustekniikka" ja Autere, Ingman & Tennilä - "Valimotekniikka II" Muottihiekka lasketaan alustalla tai mallipohjalla olevan valumallin päälle kaavauskehyksen sisään. Kehyksen tehtävänä on pitää hiekka muodossa sullonnan tai hiekan kemiallisen kovettumisen ajan. Poikkeuksen muodostavat hyvin suuret valukappaleet, joille ei käytetä valukehyksiä. Suurikokoisen kappaleen muotti kaavataan yleensä maahan kaivettuun kuoppaan. Kehys voidaan jättää paikoilleen tai poistaa muotista valun ajaksi. Mikäli kehys on valun aikana paikoillaan, sen on käytännön syistä oltava metallista valmistettu. Kehyksettömässä valumenetelmässä voi käyttää myös palavasta materiaalista valmistettuja kaavauskehyksiä. Kehyksettömiä muotteja tuottavaa menetelmää kutsutaan pullakaavaukseksi. Kemiallisesti kovettuvan hiekan pullakaavauksessa kehys voi olla kevytrakenteinen, esimerkiksi vanerista valmistettu, koska kaavaukseen ei käytetä suuria voimia. Tuorehiekan kaavauksessa on käytettävä metallisia kehyksiä riippumatta siitä tapahtuuko kaavaus käsin vai koneellisesti. Kaavauskehyksen koko valitaan kaavattavan valukappaleen mittojen perusteella. Kehyksellistä menetelmää soveltavissa valimoissa on tietty kehyskokovalikoima, joka määrää tuotantoon parhaiten soveltuvien valukappaleiden mitat. Valu on taloudellista, kun hiekan ja metallin välillä on sopiva suhde eli kun kaavauskehyksestä saadaan mahdollisimman suuri, mutta ei liian suuri määrä myytävää valumetallia suhteessa käytetyn hiekan määrään. Jos kaavauskehys pakataan liian täyteen, valun laatu kärsii. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 13

14 Kuva 21. Kaavauskehyksiä. Vasemmalla olevassa kuvassa on konekaavauksessa käytettäviä metallikehyksiä. Oikealla olevassa kuvassa on pullakaavauksessa käytettäviä vanerikehyksiä. Vaikka käsin kaavattu muotti voidaan koostaa useista muottikerroksista, kehyksellisessä valmistuksessa on ihanteellista pyrkiä käyttämään vain kahta muottikerrosta. Mikäli kappaleen muoto vaatii useita muottikerroksia, se tulee valmistaa joko kehyksettömällä menetelmällä pullamuottina tai keernapakettina. Keernapaketilla tarkoitetaan joko kokonaan keernoista koostettua muottia tai muottia joka on toteutettu sekä muottipuoliskoilla että useista keernoista valmistetulla kokonaisuudella. Näin on meneteltävä siitä syystä, että muotin välikerroksissa on jakopinta molemmilla puolilla eikä useimmiten ole mahdollista löytää juuri sopivan korkuista kaavauskehystä, jolla välikerros voitaisiin toteuttaa. Puisen pullakaavauskehän voi sen sijaan valmistaa minkä korkuiseksi tahansa. Käsin kaavattava pullakaavauskehys voidaan valmistaa avattavana lukkokehyksenä (Kuva 22) tai runsailla hellityksillä varustettuna täyttökehyksenä (Kuva 23). Lukkokehyksen yksi kulma on varustettu saranoilla ja vastakkainen kulma lukkolaitteella. Kehys suljetaan lukkolaitteella kaavauksen ajaksi ja avataan, jotta kehys voidaan poistaa. Täyttökehys on kiinteä kehä, jota ei avata. Se voi olla kiinteästi malliin liitetty tai erillinen. Molemmissa tapauksissa kehys poistetaan mallia irrotettaessa. Kuva 22. Lukkokehys pullamuotin valmistusta varten. Kehys on saranoitu ja lukittu salvoilla, joten muotin sivuja ei ole tarpeen hellittää. Pulla käännetään joko kehykseen kiinnitetyistä nostokorvakkeista tai tarkoitukseen erityisesti suunnitelluilla nostoapuvälineillä (Kuva oikealla, Donovan muotinkäsittelylaitteet. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 14

15 Kuva 23. Alamuotin täyttökehys ja sen avulla valmistettu pullamuotti. Täyttökehys on periaatteeltaan päältä avoin keernalaatikko. Kovettunut hiekkamuotti poistetaan kehyksestä kääntämällä ja kumoamalla. Muottia käsitellään yleensä nostoapuvälineillä. Kuvassa olevan hiekkamuotin puoliskot ohjataan toisiinsa reunusten avulla. Jakopintatupien ja hiekkatupien käyttö on myös mahdollista. Kuva 24. Alamuotin täyttökehyksen ja siihen liitetyn valumallin poikkileikkauskuva. Muottipuoliskot ohjataan toisiinsa reunuksella. Reunuksen tuottava muoto on merkitty kuvaan nuolella. Kuva 25. Kaavauskehyksiä. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 15

16 Kuva 26. Kaavauskehyksiä. Metallisten kaavauskehysten rakenne Kaavauskehysten tärkeimmät osat, itse kehyksen lisäksi, ovat: ohjaustapit ja -holkit hiekkarivat hiekkalistat nostoelimet lukitusmekanismit Ohjaustupien ja ohjausholkkien (Kuva 15 ja Kuva 27) tehtävänä on ohjata kehykset sekä mallin että toisiinsa nähden täsmälleen oikeaan asentoon. Koska ohjausreiät kuluvat melko nopeasti liian suuriksi, käytetään niissä usein helposti vaihdettavia holkkeja. Kuva 27. Kaavauskehyksen ohjausholkki sekä nosto- ja kääntötappi. Hiekkaripojen (Kuva 28) tehtävänä on estää yläkehykseen sullottua hiekkaa putoamasta ja samalla ne lisäävät kaavauskehyksen lujuutta. Hiekkarivat mahdollistavat myös muotin tukemisen hiekkakoukuilla. Nykyisten kaavauskoneiden puristusvoimat ovat jo niin suuria, ettei pienissä muoteissa tai suurpainekaavattavissa muoteissa tarvitse käyttää hiekkaripoja. Kuva 28. Hiekkarivoilla varustettu kaavauskehys. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 16

17 Kehysten täytyy olla muiltakin rakenneosiltaan niin lujia, etteivät ne muuta muotoaan sullotun hiekan tai valumetallin paineesta ja että niitä voidaan kuljettaa tai kääntää muotin särkymättä. Erityisesti suurpainekaavaus aiheuttaa tavanomaiseen kaavaukseen verrattuna monikertaisen rasituksen. Seinämän jäykkyyttä lisätään ulkopuolisilla rivoituksilla tai muotoilulla. Hiekkalistat. (Kuva 29) Kehysten seinämien sisäpuolet muotoillaan siten, ettei kovettunut hiekkakakku pääse putoamaan sen sisältä. Suoriin sisäseinämiin lisätään putoamista estävät hiekkalistat, jotka samalla lisäävät kehyksen jäykkyyttä. Jos kaavauskehyksen seinämä on muotoiltu muuten (esim. jos kehys on valmistettu muototeräksestä hitsaamalla), ei hiekkalistoja tarvita vaan hiekka pysyy muotissa ilman hiekkalistojakin. Kuva 29. Kaavauskehyksen hiekkalistat. Nostoelimet. (Kuva 30 ja Kuva 31) Nostamisen ja kääntämisen helpottamiseksi kaavauskehyksen varustetaan niiden koosta riippuen joko nostokahvoilla tai -korvakkeilla sekä nosto- ja kääntötapeilla. Kaavauskehyksen nostoelimet. Vasemmalla: Muotin sulkeminen. Oikealla: Muotin siirtämi- Kuva 30. nen. Kuva 31. Nostoelimet. Kaavauskehyksen kääntö. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 17

18 Lukitusmekanismit. Sula metalli aiheuttaa nostevoiman pyrkien nostamaan muotin yläpuoliskoa ylöspäin, jolloin muotti voi vuotaa jakopinnastaan. Yksinkertaisin tapa ehkäistä tätä on laittaa muotin päälle painoja. Koska niiden käsittely on rakasta, on kehitetty erilaisia mekanismeja, jolla kehyksen saadaan lukittua toisiinsa. Kuva 32. Kaavauskehysten lukitseminen. Valumallit Lähde: Tiainen, Tuomo - "Valimotekniikan perusteet" Kertamuottimenetelmissä tarvitaan valumalli, jota käyttäen valumuotti valmistetaan eli kaavataan. Valumalli on haluttua valukappaletta muistuttava kokonaisuus, joka poikkeaa varsinaisesta valukappaleesta mitoiltaan (kutistumat) ja geometrialtaan (päästöt eli hellitykset). Yleisin mallimateriaali on edelleen puu, mutta myös muovi-, metalli- ja kertakäyttöisiä (esim. styrox) valumalleja sekä kipsimalleja on käytössä mm. käytetystä kaavausmenetelmästä riippuen. Pienet ja keskisuuret mallit kiinnitetään useimmiten mallipohjiin. Pohjitettu malli tuottaa paremmat tarkkuudet valukappaleille. Irrottaminen muotista on myös helpompaa kuin irtomallin tapauksessa. Mallipohja on levy, joka vastaa muotin jakopintaa. Siihen kiinnitetään kaikki muutkin tarvittavat osat kuten kanavisto, syöttöjärjestelmä ja kohdistusmerkit. (Kuva 33- Kuva 35) Kuva 33. Mallipaletti, johon konekaavauksen mallit ja mallipohja kiinnitetään. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 18

19 Kuva 34. Jaetun konekaavausmallin puolikkaat mallipohjiin ja paletteihin kiinnitettyinä. Vasemmalla: Ylämuotin mallipuolisko valujärjestelmineen ja syöttöineen. Oikealla: Alamuotin mallipuolisko. Kuva 35. Konekaavausmallit odottavat siirtymistä automaattikaavauslinjan kaavauskoneeseen. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 19

20 Hiekkamuotti, valaminen ja lämpö Tuula Höök, Kappaleessa tarkastellaan lämpöä ja lämmön siirtymistä. Nämä aiheet muodostavat perustan hiekkamuotin täyttö- ja syöttöjärjestelmien suunnittelua käsitteleville kappaleille. Muottiin kaadettavaan valumetalliseokseen siirretään sulatuksen aikana lämpömäärä QQ. Lämpömäärän on oltava riittävän suuri 1) nostamaan metalliseoksen lämpötila sulamispisteeseen sekä sen jälkeen 2) sulattamaan valumetalliseos ja 3) nostamaan sen lämpötila valittuun ylikuumennusarvoon. Jotta valettava muoto jähmettyy ja jäähtyy, vastaavan lämpömäärän on poistuttava valumetallista. Poistumismekanismit ovat lämmön johtuminen, lämpösäteily ja konvektio. Kun muotti on suljettu, lämpö siirtyy valumetallista muottihiekan kautta ympäröivään ilmaan. Jäähtyminen on hidasta, koska hiekka vastaa lämmönsiirto-ominaisuuksiltaan eristettä. Kun muotti puretaan, lämpö alkaa siirtyä suoraan ympäröivään ilmaan ja jäähtyminen nopeutuu. Lämpömäärä Lämpö on liikkeessä olevaa energiaa. Lämpömäärällä tarkoitetaan aineesta tai paikasta A toiseen aineeseen tai paikkaan B siirtyvää lämpöenergian määrää tai jossain tietyssä aineessa tai paikassa C kehittyvää lämpöenergian määrää. Lämpö voi kasvattaa aineen sisäenergiaa, jolloin aineen lämpötila nousee. Siirtyvä lämpö voi myös tehdä työtä tai sekä kasvattaa sisäenergiaa että tehdä työtä. Sisäenergiaksi muuttunut lämpö ei sellaisenaan voi enää tehdä työtä. Jotta aineen lämpötila saadaan nousemaan, siihen on siirrettävä lämpömäärä QQ. Tarvittava lämpömäärä riippuu paitsi halutusta lämpötilamuutoksesta TT myös lämmitettävästä aineesta ja tavasta, jolla lämpötila nostetaan. Lämpömäärän ja lämpötilan suhde käsitellään lämpökapasiteetin CC avulla. Lämpökapasiteetti ilmoittaa, kuinka paljon energiaa tarvitaan nostamaan aineen lämpötila yhdellä asteella Kelvintä. QQ = CC TT TT = QQ CC Kaavassa QQ = lämpömäärä, JJ CC = lämpökapasiteetti, JJ KK TT = haluttu lämpötilan muutos, KK Lämpökapasiteetti on hankala käsitellä, koska se on määritelty ainekokonaisuudelle, esimerkiksi 18,36 kg määrälle glykolia. Tästä syystä käytetään ominaissuuretta, kokeellisesti määritettyä ainevakiota, jota kutsutaan ominaislämpökapasiteetiksi cc. Ominaislämpökapasiteetti ilmoittaa kuinka paljon energiaa tarvitaan ainemäärää (mol) tai massayksikköä (kg) kohti, jotta aineen lämpötila nousee yhdellä asteella Kelvintä. Lämpökapasiteetin ja ominaislämpökapasiteetin suhde on joko CC = mmcc mm tai CC = nncc nn Kaavoissa CC = lämpökapasiteetti, JJ/KK mm = massa, kkkk nn = ainemäärä, mmmmmm cc mm = ominaislämpökapasiteetti massayksikköä kohti, JJ/kkkkkk = ominaislämpökapasiteetti ainemäärää kohti, JJ/mmmmmmmm cc nn Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 20

21 Kemiaan liittyvissä sovelluksissa käytetään usein ominaislämpökapasiteettia ainemäärää kohti. Muissa sovelluksissa käytetään ominaislämpökapasiteettia massayksikköä kohti. Lämpökapasiteetti ja ominaislämpökapasiteetti ovat lämpötilasta riippuvia suureita. Mikäli tarkasteltava lämpötilaväli on laaja, täytyy edellä esitetty yhtälö QQ = CC TT tarkentaa muotoon TT 2 QQ = CC(TT)dddd TT 1 TT 2 = mm cc mm (TT)dddd TT 1 Integroinnin sijaan voi jakaa lämpötilavälin ( TT = TT 2 TT 1 ) osiin ( TT = TT AA + TT BB ) ja käyttää lämpötilaväleille määritettyjä keskimääräisiä arvoja, esimerkiksi QQ = mm cc mm(293 KK 400 KK) TT AA + cc mm(400 KK 800 KK) TT BB Kaavassa cc mm(293 KK 400 KK) cc mm(400 KK 800 KK) TT AA TT BB = ominaislämpökapasiteetti, keskiarvo välillä 293 KK 400 KK, JJ/kkkkkk = ominaislämpökapasiteetti, keskiarvo välillä 400 KK 800 KK, JJ/kkkkkk = alueelle 293 KK 400 KK sopiva osuus lämpötilavälistä TT = TT 2 TT 1, KK = alueelle 400 KK 800 KK sopiva osuus lämpötilavälistä TT = TT 2 TT 1, KK Ominaislämpökapasiteetin avulla voidaan käsitellä aineen solidusrajaa (TT ssssss ) matalampia lämpötiloja sekä toisaalta liquidusrajaa (TT llllll ) korkeampia lämpötiloja. TT ssssss on lämpötila, jossa aine on kokonaan kiteisessä muodossa. TT llllll on lämpötila, jossa aineen kiderakenne on kokonaan hajonnut. Puhtailla aineilla TT ssssss = TT llllll. Kaikilla muilla kiteisillä aineilla TT ssssss < TT llllll. Solidusrajan ja liquidusrajan välinen lämpötila-alue eli kiteisen aineen sulaminen tai jähmettyminen käsitellään suureilla sulamislämpö (SS) ja ominaissulamislämpö (ss). Yleensä ominaissulamislämpöä kutsutaan termillä sulamislämpö eikä ainekokonaisuutta vastaavaa suuretta käytetä. Sulamislämpö ilmoittaa, kuinka paljon energiaa tarvitaan massan tai ainemäärän yksikköä kohti, jotta aineen kiderakenne hajoaa eli sen olomuoto muuttuu kiteisestä nestemäiseksi. Se on yksi luku, jonka yksikkö on JJ. Olomuotomuutoksen vaatima lämpömäärä on siis QQ = SS = mmss mm tai QQ = SS = nnss nn Kaavoissa QQ = lämpömäärä, JJ SS = sulamislämpö ainekokonaisuudelle, JJ mm = massa, kkgg nn = ainemäärä, mmmmmm ss mm = sulamislämpö massayksikköä kohti, JJ/kkkk = sulamislämpö ainemäärää kohti, JJ/mmmmmm ss nn Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 21

22 Laskentaesimerkki 1 Tarkastellaan kuution muotoisen onton pallografiittivaluraudasta valmistetun kappaleen yhtä seinämää. Lasketaan, kuinka paljon tarvitaan lämpöä, jotta seinämän lämpötila nousee 500 C lämpötilasta 1450 C lämpötilaan. Seinämän paksuus on 20 mm. Muut mitat ilmenevät oheisesta kuvasta (Kuva 36). Kuva 36. Laskentaesimerkissä käytetyn kappaleen mitat. Kappale on täysin kuutiomainen. Kun seinämänpaksuus on edellä ilmoitettu 20 mm, yhden seinämän tilavuudeksi saadaan: VV = (250 mmmm)3 (210 mmmm) 3 6 1, mmmm 3 Seinämätilavuuteen sitoutunut lämpö voidaan laskea likiarvoisesti kaavalla: Kaavassa: QQ = QQ tt0 ssssss + QQ ssssss llllll + QQ llllll yyyy QQ tt0 ssssss lämpömäärä, joka tarvitaan, kun metalliseos kuumennetaan solidusrajalle: QQ tt0 ssssss = mm cc tt0 ssssss TT = mm cc tt0 ssssss (TT ssssss TT 0 ) QQ ssssss llllll lämpömäärä, joka tarvitaan, kun metalliseos sulatetaan: QQ ssssss llllll = mm ss + cc ssssss llllll TT = mm ss + cc ssssss llllll TT llllll TT ssssss QQ llllll yyyy lämpömäärä, joka tarvitaan, kun metalliseos kuumennetaan liquidusrajalta ylikuumennuslämpötilaan: QQ llllll yyyy = mm cc llllll yyyy TT = mm cc llllll yyyy TT yyyy TT llllll Kaavat yhdistämällä saadaan: QQ = mm cc tt0 ssssss (TT ssssss TT 0 ) + ss + cc ssssss llllll TT llllll TT ssssss + cc llllll yyyy TT yyyy TT llllll Esimerkin valukappale valmistetaan pallografiittivaluraudasta, jolle pätee: tiheys (ρρ) = 7, gg mmmm 3 soliduslämpötila (TT ssssss ) 1166 liquiduslämpötila (TT llllll ) 1169 cc tt0 ssssss 731 JJ/kkkkkk (keskimääräinen arvo) cc ssssss llllll 845 JJ/kkkkkk cc llllll yyyy 776 JJ/kkkkkk (keskimääräinen arvo) ss 210 kkkk/kkkk Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 22

23 Kappaleen massa (mm) on: mm = ρρρρ = 7, gg mmmm 3 1, mmmm 3 7,745 kkkk Kun ylikuumennuslämpötilaksi (TT yyyy ) valitaan 1450 ja alkulämpötilaksi (TT 0 ) 500, voidaan kirjoittaa: QQ = mm cc tt0 ssssss (TT ssssss TT 0 ) + mmmm + mm cc ssssss llllll TT llllll TT ssssss + mm cc llllll yyyy TT yyyy TT llllll = mm cc tt0 ssssss (TT ssssss TT 0 ) + ss + cc ssssss llllll TT llllll TT ssssss + cc llllll yyyy TT yyyy TT llllll = 7,745 kkkk 731 JJ ( ) JJ 103 kkkkkk kkkk JJ ( ) kkkkkk JJ ( ) kkkkkk = 7,745 kkkk 731 JJ kkkkkk 7, JJ 666 KK JJ 103 kkkk JJ 3 KK JJ 281 KK kkkkkk kkkkkk Tuloksena on yhdestä seinämästä poistettavan lämmön määrä (QQ), noin 7, JJ. Lämmön johtuminen Lämmön johtumista ylläpitää lämpötilagradientti eli lämpötila-ero ja se tapahtuu aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan lämpötilaan. Valumuotin tapauksessa johtumista ylläpitäviä lämpötilaeroja muodostuu esimerkiksi muottimateriaalin sisäseinämän ja valimo-atmosfäärin sekä sulan valumetallin sisä- ja ulkopintojen välille. Muottiontelon välitön sisäpinta kuumenee nopeasti valumetallin kanssa samaan lämpötilaan, mutta syvemmälle johtuminen tapahtuu hitaasti. Lämmön johtuminen käsitellään laskennallisesti lämmönjohtavuus-suureen avulla. Lämmönjohtavuus (λλ) kuvaa aineen läpi siirtyvän lämpötehon (PP = dddd dddd ) suhteessa aineen poikkipinta-alaan (AA) ja vallitsevaan lämpötila-eroon ( dddd dddd ). Lämmönjohtavuuden yksikkö on ( WW mmmm ). λλ = PP AA dddd dddd = dddd dddd AA dddd dddd Kaavassa: ddqq = siirtyvä lämpömäärä, JJ dddd = siirtymiseen kuluva aika, ss AA = lämpöä johtavan aineen poikkipinta-ala, mm 2 dddd = lämmön siirtymistä ylläpitävä lämpögradientti, KK dddd = lämpöä johtavan aineen vahvuus, mm Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 23

24 Laskentaesimerkki 2 Hiekan lämmönjohtavuus (λλ) on yleisesti luokkaa 1 3 W/mK. Poimitaan tältä väliltä arvo 2,0 W/mK. Tarkastellaan kuution muotoisen onton pallografiittivalurautakappaleen yhtä seinämää ja arvioidaan, kuinka kauan kestää, että siitä on siirtynyt lämpöä muotin kautta ulkoilmaan niin paljon, että seinämä on jäähtynyt 1450 C ylikuumennuslämpötilasta 500 C lämpötilaan. Kappaleen seinämänpaksuus on 20 mm ja muotin 100 mm. Muut mitat ilmenevät oheisesta kuvasta (Kuva 49). Kuva 37. Laskentaesimerkissä käytetyn kappaleen mitat. Kappale on täysin kuutiomainen. Edellisessä laskentaesimerkissä on määritetty lämpömäärä, joka sitoutuu yhteen seinämään kun valumateriaali kuumennetaan 500 C lämpötilasta 1450 C lämpötilaan. Tulokseksi on saatu noin 7, JJ lämpömäärä (QQ). Jos oletetaan, että lämpö siirtyy valumetallista hiekkamuotin seinämään täysin esteettä, tämä lämpömäärä kulkee 100 mm vahvuisen hiekkaseinämän läpi ajassa (tt). Kun halutaan päästä lähemmäksi todellista tilannetta, hiekkamuotin muottiontelon sisäseinämän ja jähmettyvän valumetallin välistä rajapintaa on tarkasteltava rajapintakertoimen eli lämmönsiirtymiskertoimen avulla. Tähän palataan myöhemmin. tt = QQ AAAA dddd dddd Kaavassa: QQ = valusta poistettava lämpömäärä, JJ AA = lämpöä johtavan aineen poikkipinta-ala, mm 2 dddd = lämpöä johtavan aineen vahvuus, mm TT yyyy = valumetallin ylikuumennuslämpötila, K = valimohallin lämpötila, K TT vvvvvvvvvvvv dddd λλ = lämmön siirtymistä ylläpitävä lämpögradientti, KK: dddd = TT yyyy TT vvvvvvvvvvvv = lämmönjohtavuus, WW mmmm : PP λλ = AA dddd dddd = PP AA TT yyyy TT vvvvvvvvvvvv dddd PP = lämpöteho, JJ ss: PP = QQ tt Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 24

25 Sijoittamalla kaavaan hiekan lämmönjohtavuudeksi valittu λλ = 2,0 WW mmmm, olettamalla valimohallin lämpötilaksi 20 C sekä olettamalla, että lämmön johtumista ylläpitävä lämpötilagradientti pysyy koko johtumisen ajan samassa arvossa, saadaan dddd = = 1430 = 1430 KK tt = QQ AAAA dddd dddd = 7, JJ (0,25 mm 0,25 mm) 2,0 WW mmmm 1430 KK 3975 ss 0,1 mm 3975 sekuntia on 1 tunti, 6 minuuttia ja 15 sekuntia. Lämmön siirtymisajan suuruusluokka on oikean suuntainen, mutta todellisuudessa aika vastaa vain likimäärin laskennallisesti saatua arvoa, koska valumetallin ja muottiontelon sisäseinämän välistä epäjatkuvuuskohtaa on käsiteltävä rajapintakertoimen avulla lämpötilagradientti muuttuu jatkuvasti kappaleen jäähtyessä lämpötilagradientti ei ole sama koko seinämän alalla lämpöä siirtyy muottiaineen läpi myös säteilemällä ja konvektiivisesti Konvektio Konvektiivinen siirtymismekanismi vaatii väliaineeksi fluidimuotoisen aineen. Fluidi on aine, jonka rakenneosat pääsevät liikkumaan vapaasti toisiinsa nähden. Fluideja ovat nesteet, kaasut ja plasma. Hiekkavalumuotissa lämmönsiirtoon osallistuvia fluideja ovat esimerkiksi muottimateriaalista höyrystyvä vesi ja sideaineen palamiskaasut. Fluidit eivät yleisesti ottaen ole hyviä lämmönjohteita. Jos fluidi ei virtaa, lämpö siirtyy tehottomasti. Kun fluidin virtaus käynnistyy, lämpö alkaa siirtyä sen rakenneosien mukana eli massavirtauksena. Mekanismia kutsutaan konvektioksi. Mitä voimakkaammin fluidi virtaa, sen enemmän lämpöä siirtyy. Jos konvektiota halutaan tehostaa, väliaine saatetaan pakotettuun liikkeeseen, esimerkiksi tuulettimien tai nestekierron avulla. Jos konvektio ei ole toivottu, väliaineen liike estetään. Arkipäiväisiä esimerkkejä konvektion hillitsemisestä ovat valimohallin ulko-oven sulkeminen ja sulatusuunin päälle asetettava kansi. Konvektion tehostamista tapahtuu esimerkiksi silloin, kun valukappale poistetaan muotista ja viedään ulkoilmaan jäähtymään tai kun muotista purettua hiekkaa kuljetetaan ulkoilmassa. Valunsimulointiohjelmisto ottaa laskennallisesti huomioon sulavirran mukana tapahtuvan konvektiivisen lämmön siirtymisen. Hiekkamuotin muottimateriaalin sisällä tapahtuvan konvektion käsittely on laskennallisesti kuitenkin niin raskasta, ettei kaupallisissa valunsimulointiohjelmistoissa tarjota tällaista mahdollisuutta. Laskennallinen käsittely on mahdollista esimerkiksi jollain soveltuvalla virtauslaskennan ohjelmistolla. Hiekkavalumuottien tapauksessa muottimaterialissa tapahtuvan konvektion suuruusluokkaa on toistaiseksi pyritty arvioimaan vain kokeellisin menetelmin. Simulointiohjelmissa voi käyttää erisuuruisia lämmönjohtavuuden arvoja eri muottimateriaaleille. Laskenta tuottaa lähellä todellisuutta olevia arvoja, mutta konvektion vaikutusta ei tällä tavoin ole mahdollista tutkia laskennallisesti. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 25

26 Lämpösäteily Lämpösäteily on eräs sähkömagneettisen säteilyn laji. Säteilyn voimakkuutta käsitellään intensiteettisuureella (II). Säteilyn intensiteetti on keskimäärin säteillyn energian määrä pinta-alan ja ajan yksikköä kohti eli sama kuin säteilyn teho pinta-alan yksikköä kohti: II = QQ AAAAAA = εεεεtt4 Kaavassa II = säteilyn intensiteetti, WW mm 2 QQ = lämpöenergian määrä, JJ AA = säteilevän alueen pinta-ala, mm 2 ΔΔΔΔ = tarkasteltava aikaväli, ss εε = emissiivisyys, mustan kappaleen tapauksessa εε = 1 σσ = Stefanin-Boltzmannin vakio 5, WW mm 2 KK 4 T = säteilyn lämpötila, K Lämpösäteily ei vaadi toteutuakseen lämpötilagradienttia eikä väliainetta. Se myös etenee huomattavan nopeasti, käytännössä siirtyminen on välitön. Lämpösäteilyn teho kasvaa lämpötilan neljännellä potenssilla. Kun lämpötilaa nostetaan, säteilymekanismi alkaa vaikuttaa suhteessa enemmän kuin konvektio tai johtuminen. Laskentaesimerkki 3 Lasketaan, paljonko lämpöä siirtyy säteilemällä avonaisen syöttökuvun pinnalta tt = 60 ss aikana ja suhteutetaan se syöttökuvussa olevan metallin kokonaislämpömäärään. Syöttökupu on sylinterin muotoinen. Sen halkaisija dd = 100 mmmm ja korkeus h = 150 mmmm. Syöttökuvussa oleva materiaali on lämpötilaan TT = 1400 CC kuumennettua pallografiittivalurautaa, jonka tiheys ρρ = 7300 kkkk/mm 3. Syöttökuvun tilavuus (VV) on: VV = AAh = ππ dd 4 2 h = 3,14 (0,05mm) 2 0,15mm 1, mm 3 Kaavassa AA = syöttökuvun poikkipinta-ala, mm 2 h = syöttökuvun korkeus, mm dd = syöttökuvun halkaisija, mm Kun 1, mm 3 valurautaa kuumennetaan huoneenlämpötilasta TT 0 = 20 ( 293 KK) lämpötilaan TT yyyy = 1400 CC ( 1673 KK), siihen sidotaan lämpöä: QQ = mm cc tt0 ssssss (TT ssssss TT 0 ) + mmmm + mm cc ssssss llllll TT llllll TT ssssss + mm cc llllll yyyy TT yyyy TT llllll Lasketaan aluksi valuraudan massa (mm): mm = ρρρρ = 7, gg mmmm 3 1, mmmm gg Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 26

27 Muut arvot ovat samat kuin edellä esitetyssä laskentaesimerkissä 1: soliduslämpötila TT ssssss 1166 liquiduslämpötila TT llllll 1169 ominaislämpökapasiteetti cc tt0 ssssss 731 JJ/kkkkkk (keskimääräinen arvo) ominaislämpökapasiteetti cc ssssss llllll 845 JJ/kkkkkk ominaislämpökapasiteetti cc llllll yyyy 776 JJ/kkkkkk (keskimääräinen arvo) sulamislämpö ss 210 kkkk/kkkk Kun TT yyyy = 1400 ja alkulämpötila TT 0 = 20, voidaan kirjoittaa: QQ = mm cc tt0 ssssss (TT ssssss TT 0 ) + mmmm + mm cc ssssss llllll TT llllll TT ssssss + mm cc llllll yyyy TT yyyy TT llllll = mm cc tt0 ssssss (TT ssssss TT 0 ) + ss + cc ssssss llllll TT llllll TT ssssss + cc llllll yyyy TT yyyy TT llllll = 8,614 kkkk 731 JJ ( ) JJ 103 kkkkkk kkkk JJ ( ) kkkkkk JJ ( ) kkkkkk = 8,614 kkkk 731 JJ kkkkkk 10, JJ 1146 KK JJ 103 kkkk JJ 3 KK JJ 231 KK kkkkkk kkkkkk Säteilyn intensiteetti lasketaan kaavalla jolloin II = QQ AAAAAA = εεεεtt4 QQ = (AAAAAA)εεεεTT 4 = ππ dd 4 2 ΔΔΔΔ εεεεtt 4 Sulan valuraudan emissiivisyys εε 0,29 ja Stefanin-Boltzmannin vakio σ = 5, W m 2 K 4. Lähtöarvot sijoittamalla saadaan QQ = ππ dd 2 (0,10 Δt εσt 4 mm) = ππ , JJ 2 60 s 0,29 5, W m 2 K 4 (1673 K) 4 Kun syöttökuvussa olevan metallin sitoma lämpö on laskennallisesti noin 10, JJ, voidaan arvioida, että 60 sekunnin aikana siitä poistuu säteilemällä noin 0,6 %. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 27

28 Lämpövuo Lämpövuo (Φ, WW qq mm 2 ) tarkoittaa lämpövirran tiheyttä eli lämpövirtaa (HH, JJ ss = WW) pinta-alayksikköä (AA, mm 2 ) kohti. = Φ HH qq AA Lämpövirta (HH) on lämpömäärän (lämpöenergian määrän) muutos (ΔQQ, JJ) tietyllä aikavälillä (Δtt, ss): HH = ΔQQ Δtt tai yleisemmin HH = dqq dtt Kaava voidaan siis kirjoittaa muotoon: Kaavoissa Φ qq = lämpövuo, WW/mm 2 H = lämpövirta, JJ/ss A = tarkasteltava pinta-ala, mm 2 dq = lämpömäärän muutos, JJ dddd = ajanjakso, ss = Φ HH dddd qq AA = dddd AA = dddd AAAAAA Laskentaesimerkki 4 Edellä olleissa laskentaesimerkeissä on laskettu lämmön johtuminen muottiaineen läpi ja lämmön säteily avonaisesta syöttökuvusta. Lasketaan kummallekin esimerkille lämpövuon arvo. Ensimmäisessä esimerkissä 100 mmmm paksuisen muottiaineen läpi siirtyy 7, JJ lämpömäärä 3975 ss kuluessa. Lämpöä johtavan muottiaineen poikkipinta-ala on 250 mmmm 250 mmmm = 62, mm 2. Lämpövuo on tällöin keskimäärin dddd = Φ dddd qq = AA 7, JJ 3975 ss 62, mm 2 28, WW/mm 2 Toisessa esimerkissä syöttökuvun avonaiselta pinnalta säteilee 60, JJ lämpömäärä 60 ss ajanjaksolla. Säteilevän pinnan pinta-ala on ππ (0,05 mm) 2 = 7, mm 2. Lämpövuo syöttökuvun pinnassa on tällöin keskimäärin dddd = Φ dddd qq = AA 60, JJ 60 ss 7, mm 2 128, WW/mm 2 Voidaan päätellä, että syöttökuvun pinnassa oleva lämpövuo on tiheydeltään noin 4,5-kertainen muottiseinämän läpi kulkevaan lämpövuohon verrattuna. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 28

29 Lämmön siirtyminen rajapinnan yli Hiekkavalumuottiin valetun metalliseoksen ja muotin osien välillä on useita rajapintoja, esimerkiksi: valumetalli muottihiekka valumetalli keernahiekka valumetalli eristävä syöttöholkki muottihiekka valumetalli jäähdytysrauta muottihiekka valumetalli ilma ylämuotin muottihiekka alamuotin muottihiekka muottihiekka keernahiekka Lämpö siirtyy rajapinnan yli pienemmällä teholla kuin yhtenäisessä materiaalissa. Rajapinta käsitellään tästä syystä laskennallisesti lämmönsiirtymiskertoimen (h) avulla. Kerroin on suhdeluku rajapinnan yli vallitsevan lämpötilaeron ( TT) ja lämpövuon (Φ ) qq välillä. Sen yksikkö on WW mm 2 KK. Rajapintakerroin lasketaan kaavalla h = Φ HH qq TT = AA TT = dddd dddd AA TT = dddd ddtt AA TT Kaavassa h = rajapintakerroin, WW/mm 2 KK = lämpövuo, WW/mm 2 Φ qq TT = rajapinnan yli vallitseva lämpötilaero, KK H = lämpövirta, JJ/ss A = tarkasteltava pinta-ala, mm 2 dq = lämpömäärän muutos, JJ dddd = ajanjakso, ss Käytännössä rajapinnalla tapahtuu siis lämpötilan lasku, jonka suuruus riippuu lämmönsiirtymiskertoimesta. Kertoimia määritellään kokeellisesti eri aineiden muodostamille rajapinnoille. Rajapintakertoimen valinnan onnistuminen vaikuttaa ratkaisevasti valunsimulointiohjelman tulokseen. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 29

30 Laskentaesimerkki 5 Otetaan laskentaesimerkin 1 tilanne jälleen käsiteltäväksi. Esimerkissä on hiekkaan valettava kuution muotoinen pallografiittivalurautainen kappale (Kuva 38), jonka seinämänpaksuus on 20 mmmm. Hiekan lämmönjohtavuus (λλ) on yleisesti luokkaa 1 3 W/mK. Tältä väliltä on poimittu arvo 2,0 WW/mmmm, jonka jälkeen on arvioitu, kuinka kauan kestää, että yhdestä seinämästä on siirtynyt lämpöä muotin kautta ulkoilmaan niin paljon, että seinämä on jäähtynyt 1450 CC lämpötilasta 500 CC lämpötilaan. Muotin seinämänpaksuudeksi on valittu 100 mmmm. Kuva 38. Laskentaesimerkissä käytetyn kappaleen mitat. Yhden seinämän tilavuudeksi on laskettu 1, mmmm 3 ja siitä poistettavan lämmön määräksi 7, JJ. Kun lämmönsiirtymiskerrointa ei ole huomioitu, jäähtymisajaksi on saatu 3975 ss. Tarkastellaan tulosta uudelleen siten, että huomioidaan valumetallin ja muotin välinen rajapinta. Rajapinnalle valitaan lämmönsiirtymiskerroin h = 800 WW mm 2 KK. Luodaan yksinkertaistettu malli, jossa lämmön siirtymistä tarkastellaan 10 sekunnin ajanjaksoissa. Sekä muottiainetta että seinämässä olevaa sulaa tarkastellaan yhtenä kokonaisuutena (Kuva 39). Käytössä on siis massiivisen kokoinen elementtimalli, jossa muottiaine muodostaa yhden laskentaelementin ja valumetalliseinämä toisen. Keernaa ei huomioida ollenkaan. Muottihiekaksi valitaan kemiallisesti kovetettu nk. kuiva hiekka, koska se on yksinkertaisempi käsitellä laskennallisesti kuin savisideaineinen hiekka. Savisideaineella sidottu, mekaanisesti kovetettava hiekka sisältää kosteutta siinä määrin, että veden höyrystymislämpö saa sen ominaislämpökapasiteetin satakertaistumaan veden kiehumispisteessä. 1 Kuivan hiekan ominaislämpökapasiteetin voi arvioida olevan noin 925 JJ/kkkkkk välillä CC. Mallia vasten pakatun ja kovetetun hiekan tiheydeksi arvioidaan noin 1500 kkkk/mm 3. 1 Nestemäisen veden ominaislämpökapasiteetti cc = JJ/kkkkkk, kiinteän veden ominaislämpökapasiteetti cc < 0 = JJ/kkkkkk, veden sulamislämpö ss = JJ/kkkk ja höyrystymislämpö JJ/kkkk. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 30

31 Kuva 39. Malli. Lämmön siirtyminen rajapinnan yli. Ajatellaan, että hetkellä tt = 0 ss muottiontelossa olevan sulan ja muottiontelon seinämän välillä vallitsee maksimaalinen lämpötilaero, koska muottiontelon seinämä ei ole vielä lämmennyt sulan vaikutuksesta. Jos muottiontelon seinämän lämpötilaksi valitaan 20, lämpötilaero hetkellä tt = 0 ss on TT 0 = TT vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv (tt = 0ss) TT mmmmmmmmmmmm (tt = 0ss) = = 1430 = 1430 KK Lämpövuo hetkellä tt 0 on tällöin: Φ qq 0 = h TT 0 = 800 WW mm 2 KK 1430 KK = 1, WW mm 2 ja koska saadaan Φ = HH QQ qq AA = tt AA QQ = Φ qq tt AA Kun lämpövuo on vaikuttanut 10 sekunnin ajan, rajapinnan yli on edellisen kaavan perusteella siirtynyt lämpömäärä QQ = Φ qq tt AA = 1, WW mm 2 10 ss 62, mm 2 = JJ Lämpömäärä siirtyy laaditussa laskentamallissa hiekkaviipaleeseen, jonka mitat ovat 0,25 mm 0,25 mm 0,1 mm. Viipaleen tilavuus (VV) on tällöin 6, mm 3 ja hiekan massa mm = 9,375 kkkk, kun muottihiekan tiheydeksi (ρρ) on arvioitu 1500 kkkk/mm 3. Valitaan kemiallisesti sidotun valimohiekan ominaislämpökapasiteetiksi välille 20 CC 500 CC keskimääräinen arvo 925 JJ/kkkkkk. Tätä arvoa käyttäen voidaan arvioida, että JJ lämpömäärä on riittävä nostamaan muottihiekan lämpötilaa Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 31

32 QQ QQ = mmcc TT TT = mm cc Kaavaan sijoittamalla saadaan TT = QQ JJ = 82 KK = 82 mm cc ,375 kkkk 925 JJ/kkkkkk Valumetallin lämpötila laskee puolestaan kun TT = QQ JJ = 126 KK = 126 mm cc 20 ssssss 7,745 kkkk 731 JJ/kkkkkk cc tt0 ssssss 731 JJ/kkkkkk (keskimääräinen arvo) mm 7,745 kkkk (arvo on laskettu esimerkissä 1) Tarkasteltavan valumetalliseinämän ja tarkasteltavan muottihiekkaviipaleen välinen lämpötilaero on pudonnut 10 sekunnin jälkeen arvoon TT 10ss = TT vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv (tt = 10ss) TT mmmmmmmmmmmm (tt = 10ss) = ( ) ( ) = 1222 Lämpövuo rajapinnan ylitse on tällöin Φ qq 10ss = h TT 10ss = 800 WW mm 2 KK 1222 KK = 0, WW mm 2 ja siirtynyt lämpömäärä QQ 10ss = Φ qq 10ss tt AA = 0, WW mm 2 10 ss 62, mm JJ Tämän jälkeen voidaan laskea uusi lämpötilagradientti ja jatkaa iteraatiota, kunnes päästään kohtaan, jossa valumetallin ja muotin lämpötilat ovat tasoittuneet eikä lämpö enää siirry. Lopputulos esitetään kaaviona seuraavassa kuvassa (Kuva 40). Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 32

33 Kuva 40. Tarkasteltavan valumetalliseinämän ja muottihiekkaviipaleen lämpötilojen tasoittuminen. Lämmön siirtyminen valumetallista muottihiekkaan on käytännössä lakannut, kun aikaa on kulunut noin 360 sekuntia eli 6 minuuttia. Valumetallin lämpötila ei näyttäisi koskaan laskevan 500 tasolle. Muottihiekan ja valumetallin välinen lämpötilaero tasoittuu ja jää noin 600 lämpötilaan. Todellisuudessa lämpötila jatkaa laskemista. Laskentamalli ei ole ottanut huomioon lämmön siirtymistä muottihiekan kautta valimon ulkoilmaan. Tämä voidaan laskea seuraavaksi. Edellä on laskettu, että muottihiekka lämpenee ensimmäisen 10 sekunnin kuluessa 82. Arvo valitaan lämpötilagradientiksi muottihiekan ja ulkoilman välille. Lämpötilan nousun on saanut aikaan valumetallista muottiaineeseen siirtynyt JJ lämpömäärä. Ulkoilmaan johtuva lämpömäärä voidaan ratkaista lämmönjohtumiskertoimen kaavasta. λλ = PP AA dddd dddd = dddd dddd AA dddd dddd dddd dddd = λλλλ dddd dddd QQ = λλλλ tt TT xx Sijoittamalla saadaan QQ = λλλλ tt TT xx = 2,0 WW mmmm 0,0625 mm2 10 ss 82 0,10 mm = 1, JJ Tämä noin 1 kj poistuva lämpömäärä laskee muottiaineen lämpötilaa seuraavasti TT = QQ JJ = 0,12 KK = 0,12 mm cc ,375 kkkk 925 JJ/kkkkkk Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 33

34 Johtumalla poistuva lämpömäärä nopeuttaa lämpötilojen tasapainotilanteen saavuttamista. Kun muottihiekka ja valumetalli ovat samassa lämpötilassa, jäähtyminen etenee johtumismekanismin määräämällä vauhdilla (Kuva 41). Johtumismekanismi muuttuu vallitsevaksi, kun aikaa on kulunut noin 280 ss. Valumetallin lämpötila saavuttaa 500 rajan, kun aikaa on kulunut 1850 ss eli 30 mmmmmm 50 ss. Kuva 41. Tarkasteltavan valumetalliseinämän ja muottihiekkaviipaleen lämpötilojen tasoittuminen ja sen jälkeen tapahtuva lämmön johtuminen muottiaineen kautta. Johtumismekanismi muuttuu vallitsevaksi, kun aikaa on kulunut noin 280 sekuntia eli noin 4,5 minuuttia. 500 rajan saavuttamiseen kului aikaa noin puolet verrattuna laskentamalliin, joka huomioi pelkästään lämmön johtuminen. Miksi? Laskentaesimerkki 6 Tarkastellaan seuraavaksi tt = 10 ss ajanjaksoissa pelkkiä rajapintoja muotissa, jossa on keerna, valumetallilla täytetty muottiontelo ja muottiainetta. Muottiaine ympäröi muottionteloa xx = 100 mmmm paksuna kerroksena (Kuva 42). Kaikilla rajapinnoilla käytetään rajapintakerrointa h = 800 WW mm 2 KK. Keerna ja muotti valmistetaan samasta kemiallisesti kovetettavasta muottihiekkaseoksesta, jonka keskimääräinen ominaislämpökapasiteetti cc mmmmmmmmmmmm = 925 JJ/kkkkkk ja tiheys ρρ mmmmmmmmmmmm = 1500 kkkk/mm 3. Valumetalli on pallografiittivalurautaa, jolle käytetään tarkasteltavan lämpötilavälin laajuudesta huolimatta keskimääräistä ominaislämpökapasiteettia cc mmmmmmmmmmmmmm = 731 JJ/kkkkkk ja tiheyttä ρρ mmmmmmmmmmmmmm = 7300 kkkk/mm 3. Valumetallin lämpötila on laskennan alussa 1450 ( 1723 KK), muotin lämpötila 20 ( 293 KK) ja keernan lämpötila 20 ( 293 KK). Muottiontelon ja keernan mitat ilmenevät oheisesta kuvasta. Laskuissa on käytetty piin arvoa ππ = 3,14. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 34

35 Kuva 42. Laskentaesimerkin muottikonstruktio. Valettava kappale on h = 200 mmmm pitkä putki, jonka sisähalkaisija dd = 100 mmmm ja seinämänvahvuus ssss = 50 mmmm. Keernan pituus ll = 250 mmmm. Muottihiekka ympäröi muottionteloa kauttaaltaan xx = 100 mmmm vahvuisena kerroksena. Lasketaan aluksi keernan, muottihiekan ja valumetallin tilavuudet ja massat: Keerna: VV kkkkkkkkkkkk = ππ dd ,1 mm ll = ππ 2 0,25 mm 1, mm 3 mm kkkkkkkkkkkk = ρρ mmmmmmmmmmmm VV kkkkkkkkkkkk = 1500 kkkk mm 3 1, mm 3 22, 9999 kkkk Valukappale: 2 (dd + 2ssss) VV vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv = ππ h ππ dd , mm ,2 mm h = ππ 2 0,1 mm 0,2 mm ππ 2 0,2 mm mm mmmmmmmmmmmmmm = ρρ mmmmmmmmmmmmmm VV vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv = 7300 kkgg mm 3 4, mm , 3333 kkkk Muottihiekka: 2 (dd + 2ssss + 2xx) VV mmmmmmmmmmmm = ππ (h + 2xx) VV 2 vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv VV kkkkkkkkkkkk 2 (0,1 mm + 0,1 mm + 0,2 mm) = ππ (0,2 mm + 0,2 mm) 4, mm 3 1, mm , mm 33 mm mmmmmmmmmmmm = ρρ mmmmmmmmmmmm VV vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv = 1500 kkkk mm 3 50, mm , 3333 kkkk Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 35

36 Lasketaan seuraavaksi rajapintojen pinta-alat. ARP1: keerna -> valukappale: AA RRRR1 = ππππh = ππ 0,1 mm 0,2 mm 6666, mm 22 ARP2: keerna -> muotti: AA RRRR2 = 2 ππππ ll h ππ dd 2 0,25 mm 0,2 mm 0,1 mm = 2 ππ 0,1 mm + 2 ππ , mm 22 ARP3: valukappale -> muotti: 2 (dd + 2ssss) AA RRRR3 = ππ(dd + 2ssss)h + 2 ππ ππ dd (0,1 mm + 0,1 mm) = ππ(0,1 mm + 0,1 mm) 0,2 mm + 2 ππ , mm ,1 mm ππ 2 Lämpötilagradienttien perusteella voidaan laskea lämpövuot, rajapinnan yli tt = 10 ss kuluessa siirtyvät lämpömäärät ja niitä vastaavat lämpötilamuutokset keernassa, muottiaineessa ja valumetallissa. RP1: keerna -> valukappale: Φ RRRR1 = h TT RRRR1 = 800 WW mm 2 KK (293 KK 1723 KK) = 1, WW mm 2 QQ RRRR1:10ss = Φ RRRR1 tt AA RRRR1 = 1, WW mm 2 10 ss 62, mm JJ eli keerna vastaanottaa ja valumetalli luovuttaa lämpöä rajapinnan RP1 yli QQ RRRR1:10ss JJ TT kkkkkkkkkkkk:rrrr1:10ss = = 264 KK = 264 mm kkkkkkkkkkkk cc mmmmmmmmmmmm 2,94 kkkk 925 JJ/kkkkkk QQ RRRR1:10ss JJ TT mmmmmmmmmmmmmm:rrrr1:10ss = = 29 KK = 29 mm mmmmmmmmmmmmmm cc mmmmmmmmmmmmmm 34,38 kkkk 731 JJ/kkkkkk RP2: keerna -> muotti: Φ RRRR2 = h TT RRRR2 = 800 WW mm 2 KK (293 KK 293 KK) = 0 WW mm 2 QQ RRPP2:10ss = Φ RRRR2 tt AA RRRR2 = 0 WW mm 2 10 ss 31, mm 2 = 0 JJ eli rajapinnan RP2 yli ei siirry lämpöä, koska TT RRRR2 = 0 QQ RRRR2:10ss 0 JJ TT kkkkkkkkkkkk:rrrr2:10ss = = mm kkkkkkkkkkkk cc mmmmmmmmmmmm 2,94 kkkk 925 JJ/kkgggg 0 KK = 0 QQ RRRR2:10ss 0 JJ TT mmmmmmmmmmmm:rrrr2:10ss = = mm mmmmmmmmmmmm cc mmmmmmmmmmmm 65,35 kkkk 925 JJ/kkkkkk 0 KK = 0 RP3: valukappale -> muotti: Φ RRRR3 = h TT RRRR3 = 800 WW mm 2 KK (1723 KK 293 KK) = 1, WW mm 2 QQ RRRR3:10ss = Φ RRRR3 tt AA RRRR3 = 1, WW mm 2 10 ss 172, mm JJ eli valumetalli luovuttaa ja muotti vastaanottaa lämpöä rajapinnan RP1 yli Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 36

37 QQ RRRR3:10ss JJ TT mmmmmmmmmmmmmm:rrrr3:10ss = = 79 KK = 79 mm mmmmmmmmllllll cc mmmmmmmmmmmmmm 34,38 kkkk 731 JJ/kkkkkk QQ RRRR3:10ss JJ TT mmmmmmmmmmmm:rrrr3:10ss = = 34 KK = 34 mm mmmmmmmmmmmm cc mmmmmmmmmmmm 65,35 kkkk 925 JJ/kkkkkk Ajanjakson tt = 10 ss kuluttua keernan, muotin ja valumetallin lämpötilat ovat seuraavat: TT kkkkkkkkkkkk:10ss = TT kkkkkkkkkkkk:0ss + TT kkkkkkkkkkkk:rrrr1:10ss + TT kkkkkkkkkkkk:rrrr2:10ss = 293 KK KK + 0 KK = 557 KK TT mmmmmmmmmmmm:10ss = TT mmmmmmmmmmmm:0ss + TT mmmmmmmmmmmm:rrrr2:10ss + TT mmmmmmmmmmmm:rrrr3:10ss = 293 KK + 0 KK + 34 KK = 327 KK TT mmmmmmmmmmmmmm:10ss = TT mmmmmmmmmmmmmm:0ss + TT mmmmmmmmmmmmmm:rrrr1:10ss + TT mmmmmmmmmmmmmm:rrrr3:10ss = 1723 KK 29 KK 79 KK = 1615 KK Laskentaa jatketaan tt = 10 ss jaksoissa ottamalla lähtötilanteeksi aina lämmön siirtymisen kautta muodostuvat uudet lämpötilagradientit. Lopputulos esitetään seuraavassa kaaviossa (Kuva 43). Kuva 43. Lämpötilojen tasoittuminen keernahiekan, muottihiekan ja valumetallin muodostamassa laskentamallissa. Lämmön siirtyminen osien välillä on lakannut, kun aikaa on kulunut noin 740 sekuntia eli 12 minuuttia ja 20 sekuntia eli 74 tarkasteluajanjaksoa. Kaaviosta havaitaan, että keernan lämpötila nousee aluksi voimakkaasti. Kun keerna ja valumetalli ovat samassa lämpötilassa eli niiden välinen lämpötilagradientti TT = 0 KK, lämpö alkaa siirtyä keernasta valumetallin kautta muottiaineeseen. Lämpö siirtyy niin kauan, että lämpötilaerot laskentamallin osien välillä ovat tasoittuneet. Lämpötila on asettunut tällöin 400 tienoille. Kahdessa viimeisessä laskentaesimerkissä otetaan huomioon muottiaineen ja valumetallin rajapinta sekä sen lisäksi muottiaineen mahdollisuudet ottaa vastaan valumetallista siirtyvää lämpöä. Havaitaan, että valumetalli jäähtyy rajapinnan yli tapahtuvan lämmön siirtymisen kautta noin puolet nopeammin kuin johtumisen kautta. Havaitaan myös, että massaltaan pieni muottiaineen osa, jolla Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 37

38 on laaja rajapinta valumetallin kanssa, kuumenee voimakkaasti. Tällainen osa toimii lämmön varaajana pitäen valumetallin pitkään kuumana. Laskentaa on mahdollista tarkentaa jakamalla muottiaineen ja valumetallin useampiin kuin yhteen elementtiin. Valunsimulointiohjelmistojen jähmettymislaskentamoduuli toimii suunnilleen viimeisissä laskentaesimerkeissä esitetyllä tavalla. Muotin täyttöjärjestelmä Alkuperäinen teksti, Seija Meskanen, täydennys ja muokkaus, Tuula Höök, Täyttöjärjestelmä koostuu seuraavista osista: kaatoallas tai kaatosuppilo kaatokanava jakokanava valukanavat (eli sisäänmenot) lisäksi täyttöjärjestelmään voi kuulua kuonanerottimia ja suodattimia sekä kaasukanavia Kuva 44. Tyypillinen valumuotin täyttöjärjestelmä. Edellä olevassa kuvassa (Kuva 44) on kaaviollisesti esitetty tyypillinen painovoimaa hyväksikäyttävä valumuotin täyttöjärjestelmä. Useimmiten jakokanava pyritään sijoittamaan ylämuottiin ja valukanavat eli sisäänmenot alamuottiin, kuten periaatekuvassa. Käytännössä joudutaan kuitenkin tekemään kompromisseja kappaleen muotojen tarjoamien mahdollisuuksien ja täyttöjärjestelmän optimaalisen toiminnan suhteen. Kaatokanavasta putoavan metallin virtauksen rauhoittamiseksi käytetään usein laajennusta kaatokanavan ja jakokanavan liittymäkohdassa. Virtausolosuhteita voi parantaa lisää liittämällä jakokanavan ja laajennuksen rampilla toisiinsa (Kuva 45). Täyttöjärjestelmän suunnittelussa tulisi pyrkiä siihen, että sulan virtaus kanavistossa ja muottiontelon sisällä on koko täyttövaiheen ajan mahdollisimman rauhallinen (laminaari). Pyörteilevä (turbulentti) virtaus kuluttaa kanaviston ja muottiontelon pintoja irrottaen niistä hiekkaa. Lisäksi pyörteet sekoittavat sulaan kaasuja ja kuonaa sekä aiheuttavat hapettumista. Virtauksen käyttäytymistä tutkitaan sopivalla valunsimulointiohjelmistolla. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 38

39 Kuva 45. jakokanavaan. Kanavisto, johon on liitetty sulan virtausta ohjaava ramppi kaatokanavan laajennuksesta Jako- ja valukanavat voidaan 1) leikata ja hioa valmiiksi kaavatun muotin jakopintaan, 2) koota keraamisista putkista ja muista keraamisista esivalmisteista muotin kaavauksen yhteydessä tai 3) kaavata mallilla samoin kuin muottiontelon muodot. Kemiallisesti kovetetun hiekan hiominen ei ole missään olosuhteissa suositeltavaa. Hionta rikkoo jo kovettuneen hiekan tiiviin pintakerroksen, jolloin pinnasta irtoaa valun aikana hiekkarakeita sulan joukkoon. Sullomalla kovetettavaan, savi- tai öljysideaineella sidottuun tuorehiekkaan sen sijaan voi valmistaa kanaviston käsityökaluilla. Menetelmää käytetään yksittäiskappaleille, esimerkiksi taidevalussa, harrasteluonteisissa valuprojekteissa tai museoesineiden entisöinnissä. Oheiseen kuvaan (Kuva 46) on kerätty esimerkkejä tuorehiekan käsinkaavaustyökaluista. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 39

40 Kuva 46. (Oikealla) Tuorehiekan käsinkaavauksessa käytettäviä työkaluja. 1) Käsisurvimia, yleistyökalu muottihiekan sullontaan; 2) Kärkisurvin pienten yksityiskohtien sullontaan; 3) Laattasurvin muotin viimeisen kerroksen tasoittamiseen; 4) Silityskauha eli sleevi suurten pintojen silittämiseen sekä kanavien ja kaatosuppilon tekemiseen, käytetään myös muottinaulojen painelemiseen; 5) Silityslusikka eli lansetti pienten yksityiskohtien valmistamiseen, esimerkiksi sisäänmenojen kovertaminen ja viimeistely sekä nurkkien tasoitus; 6) Kulmasilitin muotin reunojen ja kulmien viimeistelemiseen; 7) Hiekkakoukku kapeiden ja syvien muotinosien korjaamiseen ja viimeistelyyn sekä irtohiekan nostamiseen; varsi soveltuu pystypintojen silittämiseen; 8) Ilmapiikki kaasukanavien pistelyyn. Kuvan lähde: R. Keskinen, P. Niemi: Muotinvalmistustekniikka, ValuAtlas ja TREDU. Kanavistoputkia ja muita keraamisia esivalmisteita käytetään suurikokoisille rauta- tai teräsvalukappaleille, erityisesti yhdessä irtomallin kanssa. Saatavilla on esimerkiksi suoria ja kaarevia putkia, kulmaliitoskappaleita, kaatosuppiloita sekä eri tavoin muotoiltuja sisäänmenoja. Kanavisto on kertakäyttöinen. Se kootaan kanavistosuunnittelijan piirustuksen perusteella erikseen jokaista muottia varten. Osat liitetään keernaliimalla toisiinsa ja kaavataan hiekan sisään. Malli poistetaan, mutta kanavisto jää paikoilleen. Keraaminen pinta kestää teräksen ja suuren rautamäärän valussa paremmin kuin kaavattu hiekkapinta. Kuva 47. Vasemmalla: Altavaluun tarkoitettuja keraamisia kanavistoputkia ja muita osia. Oikealla: Valumalliin liitetty, keraamisista putkista koottu kanavisto. Kuvat ovat tuotteiden valmistajan esitteestä ja www-sivulta (SEEIF Ceramic a.s, Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 40

41 Mallipohjaan liitettävän valumallin kanssa on yksinkertaisinta käyttää samaan pohjaan kiinnitettäviä kanavistomalleja. Jos kaatokanava valmistetaan mallin avulla, malli asennetaan muottiin kaavauksen yhteydessä siten, että se voidaan vetää pois yläkautta. Kaatokanavan on muutenkin edullista olla muodoltaan alaspäin suppeneva kartio, jotta se pysyy täynnä valun yhteydessä. Mallipohjaan liitettävästä kanavistosta voi tehdä niin hyvin sulavirtaa mukailevan ja tarkasti mitoitetun kuin mihin kanavistosuunnittelijan taidot riittävät. Keraamisista osista ei useinkaan ole mahdollista muotoilla yhtä sulavalinjaisia ratkaisuja. Täyttöjärjestelmän suunnittelu Aluksi valitaan sopiva 1) muotin täyttöaika sekä sen jälkeen valumetallille parhaiten soveltuva 2) jakokanavan virtausnopeus ja 3) täyttösuhde. Muotin täyttöaika valitaan siten, että tilavuusvirta (kg/s) ei kasva liian suureksi sekä siten, että kappaleen ohuimmat osat eivät jähmety ennenaikaisesti eikä muotin sideaine ennätä hajota vielä täyttövaiheen aikana. Jakokanavan virtausnopeus pyritään pitämään suhteellisen alhaisena, 1,0 2,0 m/s tasolla. Herkästi hapettuvilla metalliseoksilla virtausnopeus lasketaan mieluiten (0,8) 1,0-1,5 m/s tasolle. 1. Muotin täyttöaika Täyttöaikasuositukset. Seuraavissa kuvissa (Kuva 48 ja Kuva 49) on esitetty suosituksia muotin täyttöajan eli valuajan valintaan. Periaatteena on täyttää muotti 1) riittävän alhaisella virtausnopeudella, 2) riittävän lyhyessä täyttöajassa siten, että mikään valettavan muodon osa ei ennätä jäähtyä liquiduslämpötilan tasolle ennen kuin muottiontelo on kokonaan täynnä sekä 3) siten, että täyttöaikaa ei kasvateta tarpeettomasti. Ohutseinämäisille kappaleille tai nopeasti lämpöä luovuttaville valumetalleille täyttöaika valitaan mahdollisimman lyhyeksi. Nopeasti lämpöä luovuttavia valumetalleja ovat valuteräkset ja jotkin pronssilaadut. Ongelmallisimmiksi voivat osoittautua metalliseokset, joiden ominaislämpökapasiteetti on pieni ja/tai sulamispiste korkea. Kuva 48. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 113. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 41

42 Kuva 49. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuvat 114 ja 115. Laskennallinen menetelmä. Pisintä mahdollista täyttöaikaa voi arvioida myös laskennallisesti. Vanhimpia tarkoitukseen soveltuvia menetelmiä on CHVORINOVin teoriaan perustuva menetelmä vuodelta CHVORINOVin teoria esittää, että valumuottiin kaadetun sulan metalliseoksen jähmettymiseen kuluva aika (t) riippuu sulan tilavuudesta (V) ja muottiontelon sisäseinämän pinta-alasta (A) seuraavan yhtälön mukaisesti: tt = BB VV AA nn Kaavassa on kaksi vakiota B ja n. Kertoimeksi n otetaan yleensä 2, mutta valinta väliltä 1,5 2 on myös mahdollinen. Vakio B lasketaan kaavalla 2 2 ρρ mm LL ππ BB = TT llllll TT 0 4kkkkkk 1 + cc mm TT yyyy LL TT yyyy = ylikuumennuslämpötila, joka lasketaan kaavalla TT yyyy = TT ssssssssssss TT llllll Kaavoissa ρρ mm = valumetallin tiheys, kg/m 3 ρρ = muottiaineen tiheys, kg/m 3 kk = muottiaineen lämmönjohtavuus, W/mK cc = muottiaineen ominaislämpökapasiteetti, J/kgK TT 0 = muotin lämpötila, K TT ssssssssssss = valumetallin kaatolämpötila, K TT llllll = valumetallin liquiduslämpötila, K cc mm = valumetallin ominaislämpökapasiteetti, J/kgK LL = valumetallin sulamislämpö, J/kg 2 "Theory of the Solidification of Castings", Giesserei, 1940, Vol 27, s Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 42

43 Celsiusasteissa ilmoitettu lämpötila muutetaan Kelvinasteiksi kaavalla: TT KK = TT + 273,15 Ajatuksena on laskea aluksi valumetalliin sulattamisen aikana sitoutunut lämpö (Q). Tämän jälkeen lasketaan, kuinka pitkä aika (t) kuluu siihen, että lämpöä on siirtynyt valumetallista muottiaineeseen niin paljon, että metallin lämpötila laskee liquidusrajalle. Laskentakaavat yhdistämällä on päädytty yllä olevaan ratkaisuun. Käytännön kannalta voi osoittautua ongelmalliseksi löytää kaavan edellyttämä termodynaaminen data, erityisesti valumetalliseoksen ominaislämpökapasiteetti liquiduslämpöä korkeammissa lämpötiloissa, mutta myös valumetalliseoksen sulamislämpö ja ominaislämpökapasiteetti liquiduslämpöä alhaisemmissa lämpötiloissa. Ominaislämpökapasiteetin arvo riippuu voimakkaasti metalliseoksen lämpötilasta. Toinen ongelma liittyy siihen, että kaavassa oletetaan sulalle kauttaaltaan tasapaksu muoto. Ongelma on sisäänrakennettu, koska kaava käsittelee valumetallia yhtenä tilavuusyksikkönä, jolla on yksi seinämän pinta-ala. Käytännön valukappaleissa voi kuitenkin olla vain yksi hyvin ohut seinämä, joka vaikuttaa olennaisesti muotin maksimitäyttöaikaan. Valukappale tulisi tässä tapauksessa jakaa osiin tai mieluiten käsitellä elementtimenetelmän keinoin kuten simulointiohjelmissa. Kaavan perusteella voi päätellä, että ylikuumennuslämpötilan kasvattaminen antaa lisäaikaa muotin täyttämiselle. Tällöin valumetalliin saadaan sidottua lisää lämpöä, jonka poistuminen sallii täyttää muottia hieman pitemmän ajan kuin aikaisemmin. Ratkaisu toimii kuitenkin vain rajallisesti, koska se tuo mukanaan uusia ongelmia. Osa valumetalleista on herkkiä tuottamaan virheellisen mikrorakenteen, jos valulämpötilaa muutetaan eivätkä muotin sideaineet välttämättä kestä korkeita lämpötiloja. 2. Virtausnopeus Virtausnopeus muotin ja kanaviston sisällä pyritään saamaan alhaiseksi, käytännössä enimmillään 1 2 m/s tasolle. Tähän päästään asettamalla kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala siten, että muotin täyttämiseksi vaadittava sulamäärä virtaa valitun täyttöajan puitteissa kaatokanavan läpi nopeudella 1 1,5 m/s. Poikkipinta-ala lasketaan tällöin kaavalla: AA = qq VV vv vv = tt vv Kaavassa AA = kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala, m 2 VV = valukappaleen tilavuus, m 3 tt = täyttöaika, s vv = virtausnopeus, m/s qq vv = tilavuusvirta, m 3 /s Muottiontelon sisälle muodostuu vain poikkeustapauksissa suurempia virtausnopeuksia kuin kaatokanavan alapäähän ja sisäänmenojen eteen. Käytännössä tällaisia poikkeustapauksia ovat törmäystilanteet. Kaksi sularintamaa voi törmätä toisiinsa esimerkiksi, 1) jos muottionteloon Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 43

44 johtaa kaksi tai useampia sisäänmenoja tai 2) muottiontelossa on kehämäisiä muotoja, joiden ympäri sulavirta etenee kahdesta suunnasta. Sularintama voi törmätä voimalla myös muottiontelon sisällä olevaan esteeseen, esimerkiksi keernaan tai muuhun pystyseinämään, jos virtaus on puutteellisesti suunnattu. 3. Kaatokanavan, jakokanavien ja sisäänmenojen poikkipinta-alojen suhde Kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala, jakokanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala ja valukanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala mitoitetaan suhteessa toisiinsa siten, että kanavistosta tulee joko paineellinen tai paineeton. Jos valukanavien yhteenlaskettu pinta-ala on pienempi kuin jakokanavan, kanavisto on paineellinen. Paineellista kanavistoa käytetään valuraudoille, teräksille sekä kuparimetalleista tinapronsseille, messingeille ja punametalleille. Paineetonta kanavistoa käytetään herkästi hapettuville metalleille: runsasseosteiset valuteräkset, alumiiniseokset, piija mangaanipronssit. Poikkipinta-alojen suhdetta kutsutaan täyttösuhteeksi. Oheinen taulukko (Taulukko 1) esittää suositeltavia täyttösuhteita eri valumetalleille. Taulukkoa luetaan siten, että äärimmäisenä vasemmalla on kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala, keskellä jakokanavan poikkipintaala ja äärimmäisenä oikealla valukanavan poikkipinta-ala. Taulukko 1. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, taulukko 18. Esimerkki. Pallografiittivaluraudasta valmistettavan kappaleen ja sen valukkeiden yhteenlaskettu massa on 586 kg. Kaavioiden perusteella valitaan täyttöajaksi (t) 20 sekuntia. Kaatokanavan alaosan virtausnopeudeksi pyritään saamaan 1 m/s. Lasketaan kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala, jakokanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala ja valukanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala. Pallografiittivaluraudan tiheys on noin 7300 kkkk mm kkkk painavan kappaleen ja valukkeiden yhteenlaskettu tilavuus VV on tällöin: VV = 586kkkk 7300 kkkk mm 3 0,08027mm 3 Tilavuusvirta qq vv on valitun täyttöajan perusteella: qq vv = VV tt = 0,08027mm3 20ss 0, mm3 ss Jotta virtausnopeudeksi vv kaatokanavan alaosassa, saadaan 1 mm ss, täytyy alaosan poikkipintaalaksi AA kk ottaa: Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 44

45 AA kk = qqvv vv = 0, mm3 ss 1 mm ss 0, mm mmmm 2 Jos käytetään täyttösuhdetta 1: 1,5: 1,2, jakokanavien yhteenlasketuksi pinta-alaksi AA jj saadaan: AA jj = 1,5 AA kk = 1,5 4014mmmm mmmm 2 Ja valukanavien yhteenlasketuksi poikkipinta-alaksi AA vv : AA vv = 1,2 AA kk = 1,2 4014mmmm mmmm 2 Kuonanerottimet Kuonanerottimia ovat 1) kuonaesteet, 2) kuonaloukut, 3) umpikanavat ja 4) suodattimet. Niiden tarkoituksena on parantaa valumateriaalin laatua estämällä kuonan ja kanavistosta peräisin olevien epäpuhtauksien, esimerkiksi hiekan pääsy muottiin. Kuonaa eli metalliseoksen hapettunutta ainesosaa muodostuu jo sulatuksen aikana sekä sen jälkeen aina, kun sulan pintakerros on yhteydessä happipitoiseen ilma-atmosfääriin. Valukappaleeseen päätynyt kuona ja epäpuhtaudet ilmenevät sulkeumina ja sulkeumien ympärille muotoutuneina huokosina. Kuonaeste asetetaan kaatokanavan yläosaan, esimerkiksi kaatoaltaaseen tai senkan nokkaan. Se on käytännössä pystyseinämä, joka estää kuonaa virtaamasta sulan mukana muottionteloon (Kuva 50). Kuva 50. Kuonaeste kaatoaltaassa Lähde: Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, Kuva 135 s.125. Kuonaloukku valmistetaan muotoilemalla jakokanavan yläosaan kuonaa keräävä hammastus tai muotoilemalla jakokanava muulla tavoin siten, että kuona ei pääse etenemään muottionteloon (Kuva 51). a) b) Kuva 51. Kuonaloukkuja. a) Hammastettu jakokanava ja b) pyörreloukku. Lähde: Autere-Ingman- Tennilä: Valimotekniikka II, Kuva 135 s.125. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 45

46 Umpikanava on jakokanavaan muotoiltu jatke, jonka tarkoituksena on pysäyttää virtaus siten, että sula jäähtyy ja kerää kuonakappaleita itseensä (Kuva 52). Kuva 52. Umpikanava eli jakokanavassa oleva jatke, johon sulan virtaus pysähtyy. Lähde: Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, Kuva 135 s.125. Suodattimia voidaan jakaa esimerkiksi 1) vaahtosuodattimiin, 2) kangassuodattimiin ja 3) siiviläsuodattimiin (Kuva 54). Kangas- ja siiviläsuodatin ovat toiminnaltaan samankaltaisia. Sula virtaa yhdensuuntaisten reikien läpi. Suodattuminen tapahtuu suodattimen pinnalla, minkä seurauksena kangas- ja siiviläsuodattimet tukkeutuvat helposti. Vaahtosuodattimilla suodattuminen tapahtuu materiaalin koko paksuudella. Niiden tehollinen pinta-ala on suurempi kuin vastaavien kokoisten kangas- ja siiviläsuodattimien. Vaahtosuodattimien etuna on myös sulan virtausnopeutta hidastava ja turbulenttista virtausta estävä vaikutus. Tämän ansioista sulassa olevilla kaasuilla on mahdollisuus poistua ja kaasuvikojen esiintymistodennäköisyys pienenee. Turbulenttisen virtauksen vähentyessä sulan metallin reoksidoituminen ja syntyvän kuonan määrä vähenee. Vaahtosuodattimet puhdistavat myös pienempiä sulkeumia kuin laskennallisen huokoskoon perusteella olisi ennustettavissa. Puristetut ja pursotetut suodattimet pysäyttävät sulkeumista vain ne, jotka ovat suurempia kuin niiden huokoskoko. Jotta suodattimesta olisi hyötyä: se täytyy sijoittaa oikeaan kohtaan muotissa (1) sen täytyy olla halkaisijaltaan ja paksuudeltaan oikein mitoitettu (2) sen täytyy olla hienoudeltaan (=huokoskoko) oikein mitoitettu. (3) 1. Suodatin kannattaa sijoittaa niin lähelle valukappaletta kuin mahdollista - tyypillisesti jakokanavaan. Suodatin voidaan asettaa joko vaaka- tai pystysuoraan (Kuva 55). Valintaan vaikuttaa metalli, sen virtausnopeus, käytettävissä oleva tila sekä valun puhtaus- ja tiiveysvaatimukset. 2. Suodattimen koon valinnassa on kiinnitettävä huomiota kahteen tekijään: Metallin virtausnopeuteen: valulle on yleensä määritelty kriittinen kaatoaika ja optimaalinen kaatonopeus (=metallimäärän paino / kaatoaika). Kaikki vaahtosuodattimet aiheuttavat vastusta metallin virtausnopeudelle, mutta valikoimalla oikea suodattimen koko vastus voidaan minimoida. Suodattavan pinnan kokonaispinta-alan pitäisi olla vähintään 5-6 kertaa kaatokanavan halkileikkauksen pinta-ala. Suodattimen läpi virtaava metallimäärä ennenkuin se tukkeutuu: Tukkeutuneen suodattimen läpi virtaava metallimäärä vähenee dramaattisesti tai jopa loppuu kokonaan. Tukkeutuminen johtuu sulkeumien kerääntymisestä suodattimeen. Se kuinka suuri metallimäärä virtaa suodattimen läpi ennenkuin se tukkeutuu riippuu valumetallista, sen puhtaudesta, valulämpötilasta, suodattimen hienoudesta ja täyttöjärjestelmästä. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 46

47 3. Vaahtosuodattimia on saatavana eri hienousasteita. Hienoimmalla saadaan puhtainta sulaa, mutta sen on oltava suurikokoinen (halkaisijaltaan) sen suuremman metallin virtausta vastustavan vaikutuksen takia. Lisäksi koska se pidättää pienempiä sulkeumia, tulee pinta-alan olla suurempi, jotta vältetään suodattimen tukkeutuminen. Kuva 53. Syöttökupu, jossa on suodatin. Kaataminen syötön kautta. a) Vaahtosuodatin b) Siiviläsuodattimia c) Suodatinkangas d) Erikokoisia vaahtosuodattimia Kuva 54. Erityyppisiä suodattimia. Vaahto- ja siiviläsuodattimet sekä suodatinkangas. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 47

48 Kuva 55. Suodattimen sijoittaminen valukanavistoon. a) Pystyasentoon sijoitettu suodatin a) Vaaka-asentoon sijoitettu suodatin Kuva 56. Kaaviokuvat suodattimen sijoittamisesta valukanavistoon. Suodattimen on mieluiten oltava sijoitettavissa alamuottiin. Sekä vaaka-asento (a) että pystyasento (b) ovat mahdollisia. Kaasukanavat Kaasukanavat täydentävät muotin täyttöjärjestelmän toimintaa. Niiden tehtävänä on poistaa muottiontelosta ilmaa sekä estää kaavaus- ja keernahiekasta erkautuvan vesihöyryn sekä sideaineiden palamiskaasujen sekoittuminen sulaan metalliin. Kevytmetallien valussa syntyy vähemmän palamiskaasuja, koska valulämpötila on suhteellisen alhainen. Kaasut täytyy kuitenkin saada poistettua huolellisemmin, koska kevytmetalleilla on rautaan nähden huomattavasti suurempi taipumus kerätä kaasuja itseensä. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 48

49 Syntyvät kaasut poistuvat avonaisten syöttökupujen ja vartavasten tehtyjen kaasunpoistokanavien kautta. Ellei avoimia syöttökupuja ole, on umpinaisista syöttökuvuista syytä painaa kaavattaessa suurehkot ilmakanavat muotin yläosan läpi. Kappaleen kohdalla voidaan käyttää vain pieniä pyöreitä tai litteitä kaasukanavia, koska suurehkojen kaasukanavien juureen tai alle valukappaleeseen syntyy usein imua tai puhallusta. Muotin kaasunläpäisykykyä parantavat kaasureiät tulisi pistellä mieluimmin sullotun kaavauskehyksen yläpinnasta malliin päin, mutta ei malliin saakka. Kanavat pysyvät silloin auki vielä valun päätyttyäkin, eikä niihin muodostu puhdistustyötä lisääviä metallitappeja. Muotin jakopintaan tulee varata riittävän avarat kaasukanavat keernansijojen kohdalle keernasta tulevien kaasujen vapaan poistumisen varmistamiseksi. Keernojen kaasukanavista on kerrottu enemmän otsikon "Keernojen kaasukanavat" alla. Syöttöjärjestelmä Alkuperäinen teksti, Seija Meskanen Täydennys ja muokkaus, Tuula Höök, Teoriatausta Kaikkien metallien ja metalliseosten tilavuus pienenee, kun niiden lämpötilaa lasketaan. Jos metallin tai metalliseoksen lämpötila pysyttelee liquidusrajan eli sularajan yläpuolella, sen laskemisen aiheuttamaa tilavuuden pienenemistä kutsutaan sulakutistumaksi. Mikäli lämpötila pysyttelee solidusrajan eli jähmeärajan alapuolella, sen laskemisen aiheuttamaa tilavuuden pienenemistä kutsutaan kiinteäkutistumaksi. Kun tarkastellaan riittävän kapeaa, muutaman sadan asteen lämpötilaväliä, kutistuman voi approksimoida lineaariseksi ja käsitellä laskennallisesti lämpöpitenemiskertoimen avulla. Leveämmällä lämpötilavälillä käy ilmeiseksi, ettei kutistuminen ole lineaarista. Kiderakenteen muodostavat aineet, joihin puhtaat metallit ja metalliseokset kuuluvat, kutistuvat lähes poikkeuksetta myös soliduslämpötilan ja liquiduslämpötilan välille asettuvalla alueella. Tätä kutistumaa kutsutaan jähmettymis- tai kiteytymiskutistumaksi. Säännöllisiksi kiteiksi ja kiteistä muodostuviksi rakeiksi järjestyvä aine mahtuu pienempään tilavuuteen kuin sula aine. Kiteytymiskutistuman arvo voi tästä syystä olla jopa useita prosentteja. Absoluuttisen puhtailla aineilla kiteytyminen tapahtuu yhdessä lämpötilassa. Käyttömetalleilla esiintyy jähmettymisalue, jota rajaa ylhäältä liquiduslämpötila ja alhaalta soliduslämpötila. Jähmettymisalueen koko vaihtelee muutamasta asteesta yli sataan asteeseen. Kiinteäkutistuman arvoa tarvitaan valutekniikassa nk. krympin eli kutistumakertoimen arvioimiseksi. Valuaihio skaalataan kutistumakertoimella ja kaavaustyökalut valmistetaan tähän skaalattuun kokoon. Kun kiteytymisolosuhteet vakioidaan, kiinteäkutistuman arvo voidaan määrittää kokeellisesti. Tuloksena on tiettyjä olosuhteita vastaava, suhteellisen tarkka valumetallikohtainen kutistuman arvo. Tällaista kokeellisesti määritettyä arvoa ei kuitenkaan voi käyttää valuolosuhteissa. Valumuotti esimerkiksi rajoittaa kutistumista tavalla, jota ei pysty hallitsemaan laskennallisesti muuten kuin monimutkaisen ja aikaa vievän tietokonesimulaation avulla. Lämmön siirtymisolosuhteet ja metalliseoksen lämpötila vaihtelevat myös. Näin ollen valun kiinteäkutistuma kompensoidaan kokemusperäisesti valitulla sekä valettavaan muotoon ja muotin rakenteeseen suhteutetulla kertoimella. Kerroin kohdistetaan yleensä valettavan muodon keskipisteeseen. Muodostuva mittaepätarkkuus hallitaan suunnittelemalla valuaihio koneistuksineen siten, että aiheutuva haitta on mahdollisimman vähäinen. Prosenttimääräinen sulakutistuman arvo on myös kokeellisesti määritettävissä eri valumetalleille, mutta tälläkään arvolla ei ole suurta käytännön merkitystä. Käytännön valutekniikassa tulisi periaatteessa toimia siten, että valuaihiolle haetaan asento, jossa sen ja täyttöjärjestelmän muodot edistävät Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 49

50 suunnatun jähmettymisen periaatteen toteutumista. Tällöin valumateriaalin kiteytyminen käynnistyy muotin alaosista ja etenee tasaisesti kohti syöttöjä. Toteutuessaan periaate varmistaa, että jähmettyvän materiaalin edessä on aina juoksevassa tilassa olevaa materiaalia. Jähmettymisen etenemissuunnassa viimeiseksi asetetaan riittävän kokoinen syöttökupu. Kuvun ei välttämättä tarvitse olla viimeksi jähmettyvän osuuden päällä, se voi olla myös sivulla. Syöttökuvun mitoituksessa kiinnitetään huomiota sekä sen sisältämän sulavaraston riittävyyteen että lämmön ohjaamiseen. Useimmiten sulamäärä riittää, jos lämpö ohjautuu oikealla tavalla. Jos ei huomioida muita tekijöitä kuin valukappaleen seinämänpaksuus, paksut seinämät tulevat syöttöjen alle ja ohuimmat seinämät muotin alaosaan. Tässä mallissa on oletuksena, että paksu seinämä jäähtyy ja jähmettyy hitaammin kuin ohut seinämä, koska paksun seinämän sisältämä valumetallimäärä on suurempi kuin ohuen seinämän. Oletus ei kuitenkaan välttämättä pidä paikkaansa. Edellä esitetyn CHVORINOVin teorian mukaisesti saman asian voi esittää siten, että seinämät, joissa on pieni tilavuuden ja ulkopinnan pinta-alan suhde, asetellaan alimmaksi ja seinämät, joissa on suuri tilavuuden ja ulkopinnan pinta-alan suhde, asetellaan syöttöjen alle. Oletuksena on, että valettavan muodon ne osat, joissa on paljon lämmön siirtymistä edistävää ulkopinta-alaa, jäähtyvät nopeammin kuin osat, joiden seinämien ulkopinta-ala on vähäinen. Jälkimmäinen teoria on lähempänä todellisuutta kuin seinämänpaksuuteen perustuva teoria, mutta kumpikin tarjoaa vain likiarvon valumetallin jähmettymisaikaan vaikuttavista tekijöistä. Valettavan muodon seinämänpaksuuden ja lämpöä siirtävän pinta-alan lisäksi tulee vähintään ottaa huomioon muodot kokonaisuutena, valumateriaalin virtausreitti muottiontelon sisällä, muottimateriaalin lämmönsiirto-ominaisuudet ja avonaiset pinnat. Avonaisia pintoja muodostuu esimerkiksi kaatokanavan suuaukkoon ja avonaisten syöttöjen päälle. 1. Muottimateriaalin lämmönsiirto-ominaisuudet. Hiekkamuotin perusmateriaalin lämmönsiirto-ominaisuudet vaihtelevat sideaineesta, hiekkarakeiden koosta ja muodosta sekä hiekan pakkautumisesta riippuen 3. Sitomaton, kuiva hiekka on huono lämmönjohde, koska se koostuu erillisistä hiekkarakeista, jotka eivät ole tiiviisti kosketuksissa toisiinsa. Lämmön johtumisen mekanismi käynnistyy, kun rakeilla on riittävä kosketuspinta. Orgaaniset ja epäorgaaniset sideaineet sekä tuorehiekan bentoniitti ja vesi tuottavat lämpöä johtavia siltoja hiekkarakeiden välille. Tiivis sullonta edistää myös lämmön johtumista samoin kuin särmikäs raemuoto. Pyöreät hiekkarakeet johtavat lämpöä huonommin kuin särmikkäät rakeet, joissa on liityntäpintojen muodostumista edistäviä tasomaisia rakenteita. Sideaineen sisältämä vesi siirtää lämpöä muotin ulkopuolelle muutenkin kuin johtamalla. Vesi sekä sen lisäksi kaikki muutkin muotti- ja keernamateriaaleissa olevat höyrystyvät ainesosat siirtävät tehokkaasti lämpöä konvektiomekanismilla. Aineiden höyrystymislämmöt ovat tyypillisesti moninkertaiset sulamislämpöön verrattuna (Taulukko 2), joten höyrystymistapahtuna itsessään sitoo jo paljon lämpöä. Koska höyrystynyt aine ottaa suuremman tilavuuden kuin nestemäinen aine, se pyrkii poistumaan muottimateriaalista, jolloin sitoutunut lämpö poistuu myös. Sideaineella lisätty muottihiekka luokitellaan lämpöä eristäväksi materiaaliksi. Siitä ei muodostu hyvää lämmönjohdetta millään yleisesti käytössä olevalla sideaineella. Muottihiekan lämmönjohtavuus on periaatteessa samaa suuruusluokkaa kuin maan lämmönjohtavuus eli 1 3 W/mK (Kuva 57). 3 Jaroslav Beňo, Petr Jelínek, Nikol Špirutová: Moulding mixtures, (e-learning material), VŠB - Technical University of Ostrava, Faculty of Metallurgy and Materials Engineering, Ostrava, Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 50

51 Kuva 57. Eri aineiden lämmönjohtavuuksien vertailu. Lämmönjohtavuudet on määritetty kokeellisesti. Lähde: Grzegorz Knor (Oma työ) [Public domain], Wikimedia Commons. Taulukko 2. Eri aineiden ominaislämpökapasiteetin, sulamislämmön ja höyrystymislämmön suuruusluokka. Lähde: Aine Moolimassa Ominaislämpökapasiteetti soliduksen yläpuolella Sulamislämpö Tiheys huoneenlämpötilassa Sulamislämpötila Höyrystymislämpötila Höyrystymislämpö g/mol kg/m 3 J/molK J/kg C kj/mol kj/kg C kj/mol kj/kg Alumiini 26, , , Etanoli 46, , , ,6 837 Hiili (grafiitti) 12, , , Kromi 51, , , Kupari 63, , , Lyijy 207, , , Magnesium 24, , , Mangaani 54, , , Molybdeeni 95, , , Nikkeli 58, , , Pii 28, , , Rauta 55, , , Sinkki 65, , , Titaani 47, , , Vanadiini 50, , , Vesi 18, , , , Zirkoni 91, , , Useimpien valurautojen ja terästen tapauksessa muottimateriaalin on edullista olla eristävä, jotta valun mikrorakenne kehittyy valumateriaalilta edellytettyyn muotoon. Mikäli tällaiset mikrorakenneominaisuuksiltaan herkät materiaalit jäähtyvät liian nopeasti, grafiitti erkaantuu virheellisenä eivätkä valun mekaaniset ominaisuudet tule vastaamaan vaatimuksia. Kevytmetalleilla ja värimetalleilla nopea jähmettyminen tuottaa yleensä suotuisamman mikrorakenteen kuin hidas jähmettyminen, mutta näitäkin materiaaleja valetaan yleisesti hiekkamuottiin. Esimerkiksi siitä syystä, että hiekkamuottiin voi valaa suurikokoisempia kappaleita kuin metallista valmistettuun kestomuottiin. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 51

52 Kun hiekkamuotin lämmönjohtavuutta halutaan muokata, voidaan ottaa käyttöön lämmönjohteita eli jäähdytysrautoja ( chill ) sekä syöttökuvuissa toisaalta myös vahvempia eristeitä tai lämpöä tuottavia eli eksotermisia ainesosia. Lämmönjohteina käytetään metallisia levyjä tai kappaleen muotoon valettuja metalliosia. Metallien lämmönjohtavuus on hiekkaan verrattuna moninkertainen. Esimerkiksi alumiiniseosten lämmönjohtavuus asettuu välille W/mK ja valurautojen välille W/mK. Lämmönjohteiden käyttötarkoitus on siirtää lämpöä pois valukappaleen niiltä alueilta, jotka eivät pelkän muottihiekan avulla jäähdy riittävän tehokkaasti. Lämmönjohteita tulisi kuitenkin käyttää erittäin varoen valumateriaaleilla, joilta vaaditaan tietyn tyyppinen mikrorakenne suoraan valusta. Jäähdytysraudan kohta jähmettyy erilaiseen rakenteeseen kuin valun muut osat, jolloin voi muodostua rakennetta heikentävä epäjatkuvuuskohta. Syöttökuvuissa olevat vahvat eristeet tai eksotermiset aineet pitävät syöttömetallin varastoa sulana pitempään kuin pelkän muottihiekan avulla olisi mahdollista. Niillä voi myös ohjata valukappaleen jähmettymistä siten, että syöttäminen tehostuu. Valumetalli luovuttaa lämpöä muottiaineeseen muillakin tavoilla kuin pelkästään lämmön johtumisen mekanismilla. Lämpöä siirtyy paitsi konvektiivisesti vesihöyryn ja muiden muottikaasujen mukana, myös säteilemällä. Korkeissa lämpötiloissa säteilyn osuus on merkittävä. Vesi on tehokas lämmön siirtäjä höyrystyessään ja orgaaniset sideaineet kaasuuntuessaan. Sideaineiden kaasuuntumisesta ja höyryn muodostuksesta johtuva lämmönsiirtovaikutus ei ole täysin tunnettu, mutta se selittää eroja valumetallin jähmettymisajoissa eri sideaineilla sidottujen muottien välillä. Kosteutta sisältävä tuorehiekkamuotti on esimerkiksi tunnetusti parempi lämmönjohde kuin orgaanisella sideaineella kovetettu, kuiva muotti. 2. Avonaiset pinnat. Lämpöä siirtyy tehokkaasti muotista ulos säteilymekanismin kautta, jos muotissa on peittämättömät avokuvut tai kaatokanavassa on laaja suuaukko. Toisinaan tehokas jäähtyminen on suotavaa, mutta useimmissa tapauksissa vaikutus on haitallinen, koska syöttöjärjestelmän toiminta lamaantuu. Syötöt ja kaatokanava voidaan eristää kuivalla hiekalla tai niiden päälle voi kaataa eksotermista eli lämpöä tuottavaa jauhetta. Eksoterminen jauhe pitää syöttöjen lämpötilan korkealla tehostaen niiden toimintaa. 3. Muotin muotojen tarjoamat mahdollisuudet siirtää lämpöä pois valumetallista. Valettavan kappaleen muotojen vaikutusta lämmön siirtymiseen voi tarkastella valumuotin osien massojen, osien välille muodostuvien rajapintojen ja kullakin rajapinnalla vallitsevan lämpövuon kautta. Valumuotti voidaan jakaa laskennallisesti fyysisiin osiin, kuten keernoihin, valumetalliin ja muottiaineeseen. Nämä voidaan edelleen jakaa osiin, esimerkiksi elementtimenetelmissä käytettyyn kolmiulotteiseen laskentaverkkoon tai manuaalisesti käsiteltävissä oleviin osiin. Manuaalisesti (Excel, Matlab yms.) käsiteltävissä voisi olla esimerkiksi malli, jossa keerna, muotti ja valukappale jaetaan muutamaan tarkoituksenmukaiseen laskentayksikköön. Yksinkertaistetusti voi sanoa, että kun laskentayksiköiden välinen rajapinta on pieni suhteessa niiden tilavuuksiin, lämpövuo hajoaa. Kun rajapinta on laaja suhteessa tilavuuksiin, lämpövuo suppenee. Esimerkki: Kun lämpöenergian lähteenä on valettavan muodon seinämien risteyskohta, lämpövuo suppenee risteyskohdan sisänurkan puolella ja laajenee risteyskohdan ulkonurkan Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 52

53 puolella. Kun lämpöenergian lähteenä on valettavan muodon pääty, lämpövuo laajenee tehokkaasti. Tihenevä lämpövuo muodostaa valumuottiin kuumenevan paikallisen alueen, joka hidastaa lämmön siirtymistä valettavasta muodosta muottiaineeseen. Tällöin valettava muoto jähmettyy muita alueita hitaammin. Valettavan muodon päädyissä ja ulkonurkissa jähmettyminen on puolestaan nopeaa. (Kuva 58) Kuva 58. Muottiontelon muotojen vaikutus valumetallin jähmettymiseen. Muottiontelon sisänurkista (eli valettavan muodon ulkonurkista) lähtevä lämpövirta pyrkii laajenemaan. Muottiontelon ulkonurkista (eli valettavan muodon sisänurkista) lähtevä lämpövirta pyrkii supistumaan, jolloin muodostuu kuuma kohta eli hot spot. Valettavan muodon päädyissä lämpövirta harvenee tehokkaasti, jolloin valumetalli kiteytyy tehokkaasti. Lähde: Wizard191 (Oma työ) GFDL ( Wikimedia Commons. Mikäli valettava muoto ympäröi muottimateriaalia useammalta kuin kahdelta sivulta, lämmön siirtyminen estyy vielä enemmän (Kuva 59, vasemmalla). Kuvassa esitetyn tyyppisiä rakenteita ei mielellään tulisi suunnitella valettavaksi lainkaan. Kuumenemisvaikutus on epäedullisimmassa tapauksessa riittävän voimakas hajottamaan muottihiekan sideaineen ennenaikaisesti. Vähintään seurauksena on valumateriaalin kiteytymisen hidastuminen, valun pinnanlaadun heikkeneminen sekä kvartsihiekan tapauksessa hiekan halkeilu. Kuumenemisvaikutus voi olla riittävän voimakas pitämään valettavan muodon sisänurkat sulina pitkälle jähmettymistapahtuman loppupuolelle, jolloin ympäröivä sula ennättää suuresta seinämänpaksuudesta huolimatta jähmettyä nurkkia aikaisemmin ja syöttövaikutus ehkäistyy. 4. Valumetallin virtausreitit muottiontelon sisällä. Valuastiassa on yleensä niin suuri määrä sulaa metallia, että sen lämpötila pysyy pitkään korkeana. Muottiontelon sisäpintaan kosketuksessa oleva sula puolestaan alkaa jäähtyä välittömästi. Tästä johtuen muottiontelon sisäänmenojen edessä on koko täyttövaiheen ajan kuumempaa sulaa kuin virtauksen suunnassa etäämmällä muottiontelossa (Kuva 59, oikealla). Sisäänmenojen kohdat tulisikin valita siten, että ne edistävät suunnatun jähmettymisen periaatteen toteutumista. Epäedullisimmassa tapauksessa vaikutus on päinvastainen. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 53

54 Kuva 59. Muottiontelon muotojen vaikutus valumetallin jähmettymiseen. Kuva on muokattu edellisestä kuvasta (Kuva 58). Vasemmalla: Valettavan muodon paksujen seinämien väliin jäävä suhteessa ohut kannas muottiainetta kerää lämpöä erityisen voimakkaasti. Oikealla: Valettavan muodon päätyvaikutus estyy, jos kohtaan virtaa täyttöjärjestelmästä jatkuvasti uutta valumetallia. Kohdat, joissa valumetalli virtaa hitaasti tai joissa virtaus pysähtyy kokonaan, jähmettyvät aikaisemmin kuin kohdat, joiden kautta valumetalli virtaa voimakkaasti. Syöttymistapahtuma Kun valumetallin lämpötila laskee liquidusrajan alapuolelle, se alkaa kiteytyä. Ylikuumennuslämpötilan ja liquidusrajan välisellä alueella jäähtyvä ja tilavuudeltaan pienenevä sula korvautuu (eli syöttyy) painovoiman suunnassa ylhäältä käsin virtaavalla valumetallilla. Kun kiteytyminen käynnistyy, valumetalli alkaa järjestäytyä säännölliseen rakenteeseen, joka on tiheydeltään suurempi kuin sula ainesosa. Poikkeuksen muodostaa runsashiilinen valurauta, jossa kiteytyvä hiili aiheuttaa hienoista tilavuuden kasvua. Kiteen muodostanut valumetalli jättää ympärilleen mikroskooppisen pieniä tyhjiä tiloja. Tiloissa on edullisessa tapauksessa tyhjiö, johon imeytyy korvausmetallia kiteytyvän ainesosan ympärillä olevasta sulasta ainesosasta. Tyhjön vaikutus on suurempi kuin painovoiman, joten syöttökuvun ei välttämättä tarvitse olla syötettävän kohdan päällä. Riittää, että se on yhteydessä syötettävään alueeseen. Jos valettavan muodon jokin kohta jähmettyy kokonaan umpeen, sen kautta ei virtaa sulaa, mutta kohta voi kuitenkin tyhjövaikutuksen ansiosta painua kokoon ja tiivistyä, jonka jälkeen prosessi laajenee ympärillä oleviin osiin. Korvausmetallin tarjoaminen Jotta kutistuminen ei aiheuttaisi ainevajausta ja muita kutistumavikoja, on muottiin täytettyä sulaa tarpeen syöttää ja tätä varten muottiin rakennetaan syöttöjärjestelmä, joka koostuu syöttökuvuista syöttötäytteistä ja jäähdytysraudoista Syöttöjärjestelmän osat valmistetaan irrallisista osista, jotka kiinnitetään malliin valmistettuihin kiinnityskohtiin ennen kaavausta (ks. oheisia kuvia). Mallien avulla valmistettujen syöttökupujen mallit on voitava poistaa muotista kaavauksen jälkeen. Syöttökuvun voi siis valmistaa kaavaamalla mallin avulla, mutta sen voi valmistaa myös käyttämällä erillisiä syöttökupuja, jotka jätetään kaavauksen yhteydessä muottiin. Erilliset syöttökuvut voivat olla lämpöä kehittäviä tai eristäviä. Syöttökuvut voivat olla avoimia tai suljettuja. Suljetut umpikuvut ovat kokonaan muottiaineen ympäröimiä. Avoimet syöttökuvut aukeavat muotin yläpintaan. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 54

55 Syöttökupu tai -kuvut voidaan asettaa kappaleen päälle tai sivulle jakopinnan kohdalle. Englanninkieliset termit ovat top feeder ja side feeder. Kappaleen päällä olevalle syötölle ei ole olemassa erityistä suomenkielistä termiä. Kappaleen sivulla olevaa syöttöä kutsutaan sivusyötöksi. Syöttötäytteet ovat ainepaksuuden lisäyksiä, joiden tehtävänä on varmistaa sulan metallin häiriötön virtaus muotin kaikkiin osiin. Valumetalleilla on tietty syöttömatka. Jos kappaleen pituus ylittää tämän arvon, muodostuu kappaleeseen alue, johon syntyy imuhuokoisuutta. Imuhuokoisuus voidaan estää lisäämällä tälle alueelle syöttötäyte. Jäähdytysrautojen eli kokillien tehtävänä on nopeuttaa jähmettymistä paikallisesti, jotta suunnattu jähmettyminen toteutuu. Toisinaan niitä käytetään aikaansaamaan valukappaleen tiettyyn kohtaan hienojakoisempi mikrorakenne. Valuvikojen välttämiseksi kokillien tulee olla ruosteettomia, rasvattomia ja kuivia. Jäähdytyskappaleita varten malliin tehdään lisäys, jonka kohdalle kokilli kaavauksen jälkeen sijoitetaan. Syötön tarpeen arviointiin käytetään nykyisin simulointiohjelmistoja joko pelkästään tai moduulilaskentaan yhdistettynä. Moduulilla tarkoitetaan valukappaleen tai sen osan tilavuuden ja lämpöä pois johtavan ulkopinnan pinta-alan suhdetta. Sillä arvioidaan valukappaleen tai sen osan jäähtymispotentiaalia. Ajatuksena on, että suuri ulkopinta-ala johtaa lämpöä tehokkaasti siinä missä pieni ulkopinta-ala on vähemmän tehokas. Näin ollen ne osat valukappaletta, joissa moduuli on suuri, jäähtyvät hitaammin kuin osat, jossa moduuli on pieni. Todellisuudessa tilanne ei ole näin yksinkertainen, koska ulkopinnan muoto vaikuttaa lämmön johtumiseen. Esimerkiksi sisänurkka johtaa lämpöä huonommin pois kappaleesta kuin pinta-alaltaan samansuuruinen ulkonurkka. Moduulin M yksikkö on cm. Se lasketaan kaavalla: V M=. A Kaava on yksinkertainen, mutta CAD -ohjelmistoja edeltävänä aikana on ollut erittäin työlästä määrittää muodoiltaan monimutkaisen tilavuuskappaleen tilavuutta ja sen ulkopinnan pinta-alaa. Tästä syystä moduulia pyrittiin arvioimaan jakamalla kappale yksinkertaistettuihin muotoihin, kuten levyihin, palloihin, palkkeihin ja putkiin. Nykyiset simulointiohjelmat laskevat moduulin osana jähmettymislaskentaa, mutta CAD -ohjelmistoilla voi myös tehdä alustavia arvioita suhteellisen helposti. Valukappaleen valuasento ja syöttöjen paikat pyritään yleensä asettamaan siten, että suuremman moduulin alueen on mahdollista syöttää pienemmän moduulin aluetta. Heuversin ympyräsääntö liittyy tähän ohjeeseen. Ympyräsäännön mukaan valukappaleen poikkileikkaukseen piirrettyjen ympyröiden on päästävä vapaasti siirtymään syöttökupuihin päin (Kuva 60). Kuva 60. kuva 70. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 55

56 Seinämän riittävää kaltevuutta voi pyrkiä arvioimaan ja toteuttamaan seuraavilla tavoilla 4 : seinämistä kohti kappaleen keskustaa ja yläosia etenevien jähmettymisrintamien välillä on kulma; jähmettymisrintamat eivät saisi olla yhdensuuntaiset seinämänpaksuuden (syöttötäytteen) pitäisi lisääntyä 0,2 moduulin verran 4 moduulin matkalla; Ableidingerin nyrkkisääntö edelliseen tulokseen päästään, jos seinämänpaksuus kasvaa 5 % seinämän korkeusmittaa kohden Steinin käyrästö (Kuva 61) Käytännön valukappaleiden jähmettyminen ei ole yksinkertaista siten, että Heuversin ympyräsäännön noudattaminen läheskään aina johtaisi toivottuun lopputulokseen. Sen myötä kehitettyjen suunnittelusääntöjen ja periaatteiden avulla tulee ensi sijaisesti pyrkiä korjaamaan simuloinnissa ilmi tulleita ongelmia eikä tekemään kappaleen perusmuotoilua. Esimerkiksi syöttötäytteet voi mitoittaa tällä tavoin. 5 % seinämänvahvuuden lisäystä vastaava käyrä Kuva 61. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, luku 2. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 56

57 Syöttökuvun kaulan moduulin tulee olla jonkin verran pienempi kuin varsinaisen syöttävän osan moduuli. Esimerkiksi teräksillä suhteeksi voidaan ottaa Mkappale:Mkaula:Mkupu = 1,0:1,1:1,2 5. Muilla materiaaleilla suhde on samaa luokkaa. Koska kaulan moduuli ja mitoitus on eräs tärkeimmistä syötön onnistumiseen vaikuttavista tekijöistä, sitä voi pitää suunnittelun lähtökohtana. Jäljempänä esitetään kaavioita, joilla voi arvioida kaulan halkaisijaa suhteessa kuvun syöttävän osan halkaisijaan. Yksittäinen syöttökupu syöttää tietyn valumateriaalista ja kappaleen seinämänpaksuudesta riippuvan matkan. Matkaa kutsutaan syöttökuvun vyöhykkeeksi. Kappaleen reuna-alue laajentaa syöttökuvun vyöhykettä jonkin verran. Syöttökuvun vyöhykettä ja siihen yhdistettyä reuna-aluetta kutsutaan kokonaissyöttömatkaksi. Jos kahdella tai useammalla syöttökuvulla tiivistetään laajaa levymäistä aluetta, kupujen välille ei muodostu reunavaikutusta. Kunkin kuvun syöttömatka on tällöin ainoastaan vyöhykkeen levyinen ja kahden kuvun välimatkaksi tulisi asettaa vyöhykkeen leveys kahdella kerrottuna. Vyöhyke alkaa syöttökuvun kaulan reunasta, ei siis keskipisteestä. Seuraava kuva (Kuva 62) selventää lueteltuja yksityiskohtia. Arvoja eri valumetalleista valmistetuille vaakasuorille levymäisille valukappaleille esitetään seuraavassa taulukossa (Taulukko 3). Pystysuorille seinämille käytetään samoja tai hieman suurempia arvoja. Taulukko 3. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, taulukko 12. Kuva 62. Syttökuvun vyöhykkeen, reunavyöhykkeen ja kokonaissyöttömatkan muodostuminen 5 Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, luku 2. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 57

58 Syöttötarpeen arviointi simulointiohjelman avulla Simulointiohjelmiston avulla voi arvioida syöttötarvetta seuraavien vaiheiden kautta: 1. Valitaan valukappaleelle valuasento siten, että a. paksuimmat kohdat eli käytännössä kohdat, joissa moduuli on suurin, pyritään asettamaan ylimmäksi b. pinnanlaadultaan ja lujuusominaisuuksiltaan vaativimmat kohdat pyritään asettamaan alimmaksi c. kappaleeseen löytyy mahdollisimman yksinkertainen jakolinja, jonka kahta puolen kappale hellittyy siten, että muotin osien määrä on taloudellinen d. jakolinjalle voi asettaa valukanavan siten, että virtauskorkeus muotin sisällä ei muodostu kohtuuttomaksi e. kappaleeseen ei jää paksuja kohtia ohuiden kohtien ympäröimäksi siten, että syöttäminen ei niissä onnistu f. keernoille saa laadittua hyvät kannat jakopinnan tasalle tai kappaleen ylä- ja alapuolelle g. kaikki keernat on tarpeeksi tuettu siten, että ne eivät pyri taipumaan tai kellumaan muotin sisällä 2. Tehdään kappaleelle jähmettymislaskenta valitussa valuasennossa 3. Analysoidaan seuraavat: a. Hot Spotit eli pisimpään kuumina pysyvät kohdat b. huokoisuusennuste c. jähmettymisen eteneminen d. lämpötilat jähmettymisen aikana e. moduuli 4. Jos simulointiohjelmiston tulos osoittaa, että: a. kappaleen sisäosissa ei ole haitallista huokoisuutta syöttöjen ulottumattomissa b. pisimpään kuumina pysyvät kohdat sijaitsevat pääosin kappaleen yläosissa tai niihin voi ulottaa syötön c. jähmettymisrintama ei hajoa haitallisesti d. jähmettyminen etenee kappaleen yläosien suuntaan, siirrytään syöttöjen mitoitukseen, muussa tapauksessa vaihdetaan valuasentoa ja tehdään uusi laskenta. Ellei valuasennon vaihtaminen tuota suotuisaa tulosta, kappaleen muotoilua täytyy muuttaa. Muotoilun muuttamisen voi perustaa esimerkiksi edellä esitettyyn Heuversin ympyräsääntöön tai moduulien kasvattamiseen. Syöttöjen mitoittaminen Syötöt asetetaan kappaleeseen niille kohdin, joihin simulointiohjelma osoittaa huokoisuutta. Syötöt voi asettaa kappaleen päälle tai sivuille. Kappaleen huokoisuutta muodostava osuus sijoittuu yleensä: ylimmäksi paikalliseen, pitkään kuumana pysyvään kohtaan ympäröiviä seinämiä paksumpaan kohtaan, vaikka se ei keräisi lämpöä tai pysyisi pitkään kuumana seinämien keskilinjoille Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 58

59 Seinämien keskilinjoilla olevaa huokoisuutta eli keskilinjahuokoisuutta ei useimmiten voi poistaa. Haittojen ilmetessä sitä voi yrittää siirtää, mutta kokonaan se ei poistu. Kappaleessa on seinämän sisällä aina jokin kohta, joka jähmettyy viimeisenä siten, ettei syöttömetalli pysty korvaamaan kutistuman aiheuttamaa materiaalipuutosta. Syöttöjen mitoitus aloitetaan arvioimalla syötettävän kohdan moduuli ja valitsemalla sen jälkeen moduuliin sopiva kaulan mitta. Syötettävän kohdan moduuli selviää simulointiohjelmiston jähmettymislaskennan tuloksista, mutta sitä voi arvioida myös matemaattisesti. Sylinterin muotoisen kaulan moduuli (Mkaula) on suunnilleen luokkaa Mkaula = d/4 = r/2, kun d on kaulan halkaisija ja r on kaulan säde. Muun osuuden voi mitoittaa seuraavien kaavioiden perusteella (Kuva 63, Kuva 64 ja Kuva 65). Kuva 63. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 88. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 59

60 Kuva 64. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 89. Kuva 65. Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 90. Kun kaulan koko ja syötön mitoitus on selvillä, tutkitaan materiaalin ja seinämänpaksuuksien perusteella, kuinka pitkän matkan yksittäinen kupu pystyy syöttämään. Kupuja lisätään tuloksen perusteella. Tämän jälkeen kupujen mitoitus tarkastetaan simulointiohjelman jähmettymislaskennan avulla ja tehdään tarvittavat korjaavat toimenpiteet. Korjaaviin toimenpiteisiin voi joutua liittämään vielä tässäkin vaiheessa kappaleen uudelleen muotoilemisen, vaikka pääosin tulisi keskittyä syöttöjen koon ja lukumäärän optimointiin. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 60

61 Kuva 66. Erilaisia syöttökupuja Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 61

62 Kauluskeerna Kuva 67. Erilaisia syöttökupuja Kuva 68. Erilaisia syöttökupuja Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 62

63 Kuva 69. Erilaisia syöttökupuja Keernatuet Keernatukien eli keernapallien päätehtävänä on pitää muottiin asennetut keernat paikoillaan kappaleen valu- ja jähmettymisvaiheen aikana. Yleensä niiden käyttöä pyritään välttämään. Keernojen pitäisi pysyä paikoillaan ensisijaisesti keernakantojen ja -sijojen avulla. Keernatukia voidaan joutua käyttämään kaavauksessa, jos keerna on pitkä ja ohut. Tällaisissa tapauksissa metallin nostevoima voi, ilman että keernaa tuetaan, aiheuttaa keernan nousemisen tai sen vääristymisen. Keernatukia on saatavana useita erilaisia malleja. Niiden valinnassa tulee ottaa huomioon sen kantokyky, sulautuvuus ja sen mahdollisesti aiheuttamat haitat. Keernatukien on oltava riittävän lujia kestääkseen sulan aiheuttamat voimat sekä niiden on kestettävä sulamatta valumetallin lämpötila. Tällä tarkoitetaan sitä, että niiden kantokyky ei saa sulamisen takia heikentyä ennenkuin metalli tuen ympärillä on jähmettynyt. Keernatukien pitää kuitenkin sulautua valumetalliin kiinni ennen, kuin metalli jähmettyy. Sulautumisen parantamiseksi sekä myös hapettumisen estämiseksi keernatuet pintakäsitellään puhtaalla tinalla. Keernatuet voivat aiheuttaa valukappaleeseen myös valuvikoja. Jos ne ovat liian massiivisia, ne voivat toimia jäähdytyskappaleiden tavoin. Tällöin ne aiheuttavat kylmäjuoksuja ja ei-toivottuja muutoksia mikrorakenteeseen. Jos keernatuki ei sulaudu kunnolla valumetalliin, ei valukappaleesta tule tiivistä. Muottien vahvistaminen Suuret muotit ja erityisesti syvät polvanat vahvistetaan tarvittaessa hiekkakoukuilla ja muottiontelon heikot kohdat muottinauloilla. Hiekan putoamisen estämiseksi hiekkaripoihin kiinnitetään teräksisiä hiekkakoukkuja. Hiekkakoukut eivät saa ulottua liian lähelle muottionteloa jotteivät ne toimi jäähdytyskappaleina. Muottiontelon heikot kohdat saattavat murtua sulan metallin vaikutuksesta. Tällaiseen kohtaan asetetaan teräksinen muottinaula. Esimerkkinä tällaisesta voidaan mainita hammaspyörän muotti, jossa hampaiden välit vahvistetaan usein nauloilla. Naula on painettava muottiin siten, että se on tasan muotin pinnan kanssa. Muuten valukappaleen vastaavaan kohtaan muodostuu joko kohouma tai syvennys. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 63

64 Muotin purku Kertamuottimenetelmissä valoksen jähmetyttyä muotti rikotaan valoksen ympäriltä ja valos erotetaan ja puhdistetaan muotti- ja keernamateriaaleista. Ennen muotin purkua valoksen annetaan kuitenkin jäähtyä halutun ajan muotissa. Etenkin hiekkamuotteihin valettaessa valoksen pitäminen muotissa pitkittää valun jäähtymistä, mikä on usein toivottavaa jo pelkästään valujännitysten välttämiseksi. Pikainen muotin purkaminen voi vastaavasti olla tarkoituksenmukaista, jos halutaan nopeuttaa jäähtymistä esimerkiksi tietyn mikrorakenteen saavuttamiseksi. Kertamuottimenetelmissä, etenkin sarjatuotannossa hiekkavalumuottiin, purkaminen sekä hiekan ja valoksen erottaminen toisistaan tapahtuu nykyään hyvin pitkälti koneellisesti. Pienten valujen (esim. tarkkuusvalujen tms.), yksittäisten valujen tai suurten (kuoppaan valettavien) valosten purku voi kuitenkin tapahtua myös osin tai kokonaan käsityönä. Koneelliseen purkamiseen ja puhdistamiseen hyödynnetään erilaisia ulostyöntölaitteita, tärystimiä (tärystinristikkoja), rumpuja sekä sinkopuhdistuslaitteita. Tarkoituksena on yleensä samassa yhteydessä myös hajottaa muottihiekan kokkareet ja keernat. Erotettu hiekka siirretään hiekkakiertoon. Keernahiekka voi erottua eri vaiheissa muotin purkua ja valoksen puhdistusta. Riippuu myös keernamateriaalista itsestään, miten keerna hajoaa jo valussa valumetallin kuumuuden vaikutuksesta ja tämän jälkeen muotin purkamisen ja valun puhdistuksen yhteydessä. Keernojen hajottamisen ja poistamisen toteutuksella on myös osavaikutuksensa siihen, miten paljon (muottihiekasta poikkeavaa) keernahiekkaa ja sen sideainetta joutuu hiekkakiertoon. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 64

65 Kaavausperäiset valuviat Suomen Metalliteollisuuden Keskusliiton tekninen tiedotus 3/85 "Valuvirhekäsikirja syyanalyysein" Tällä sivulla käytettävien valuvikojen kirjain-numeroyhdistelmät viittaavat Suomen Metalliteollisuuden Keskusliiton teknisen tiedotuksen 3/85 "Valuvirhekäsikirja syyanalyysein" mukaan tehtyyn taulukkoon. Taulukko 4. Valuviat METn 3/85 mukaan A Yleiset mittaviat A1. Mittaviat, A2. Liian suuri ainevahvuus, A3. Liian pieni ainevahvuus B Siirtymäviat B1. Siirtymä jakotasossa B2. Keernan siirtymä, B3. Paikallissiirtymä C Muotoviat C1. Reikä puuttuu, C2. Osa puuttuu, C3. Virheellinen reikä tai osa, C4. Käyristymä D Valukappaleesta puuttuu ainetta D1. Vajaavalu, D2. Vuotanut muotti, D3. Kylmäjuoksu, D4. Lohkeama, D5. Hionta-, talttaus- ja leikkausviat E Ulospäin suuntautuvat pintaviat E1. Karhea pinta, E2. Kiinnipureutunut hiekka, E3. Metallin tunkeuma hiekkaan, E4. Jakopintapurse, E5. Halkeamapurse, E6. Painauma, E7. Hiekkaputoama, E8. Hiekkahuuhtouma, eroosio, E9. Hiekkaluhistuma, kuoriutuma F Sisäänpäin suuntautuvat pintaviat F1. Rotanhäntä, F2. Pintarikko, F3. Hiekkareikä, F4. Vaahtografiittikuoppa, F5. Paloreikä Mg-seoksilla, F6. Kuonareikä, F7. Jakopintauurre, F8. Appelsiininkuoripinta, F9. Elefantinnahkapinta G Imuviat G1. Imupainauma, G2.Avoimu, G3. Imuontelo, G4. Imuhuokoisuus, G5. Mikroimu H Kaasurakkulat H1. Pintarakkula, H2 Keernantukirakkula, H3. Kuonarakkula, H4 Rautahaulirakkula, H5. Hiilikuorirakkula, H6. Pienoisrakkulat, H7. Pistorakkulat, H8. Pilkkurakkula I Sulkeumat I1. Hiekkasulkeuma, I2. Kuonasulkeuma, I3. GLS:n kuonasulkeuma, I4. Oksidisulkeuma, I5. Suolasulkeuma, I6. Peitostesulkeuma, I7. Kylmähauli, I8. Muut sulkeumat K Sulautumisviat K1. Kylmäpoimu, K2. Kylmäsauma, K3. Keernakaasusauma, K4 Hitsaumavika L Halkeamat L1. Imuhalkeama L2.Kuumahalkeama L3. Kylmähalkeama L4. Lämpökäsittelyhalkeama L5. Muut halkeamat M Valuraudan rakenneviat M1. Liian suuri kovuus M2. Liian pieni kovuus M3. Reunavalko M4. Reunaharmaa rakenne M5. Keskivalko M6. Grafiittipallojen rikastuminen (GRP) M7. Virheellinen grafiitti (GRP) M8. Epänormaali rakenne N Muut rakenneviat N1. Pinnan hiilettyminen N2. Hiilenkato pinnasta N3. Pinnan typettyminen (GS) N4. Hapettuminen lämpökäsittelyssä N5. Tinahiki O Puhdistusviat yms. O1. Riittämätön puhdistus O2. Virheellinen pintakäsittely O3. Muut viat Jokaiseen havaittavaan valuvikaan liittyy useimmiten perussyy, joka suoranaisesti on aiheuttanut syntyneen vian. Käytännössä kuitenkin useat eri syyt voivat aiheuttaa samoja vikoja. Kaavaukseen liittyvien työvaiheiden aiheuttamista valuvioista suurimmat ryhmät ovat E ulospäin suuntautuvat pintaviat, F sisäänpäin suuntautuvat pintaviat, H kaasurakkulat ja I sulkeumat. Kaavauksesta johtuviksi vioiksi voidaan myös laskea A yleiset mittaviat, B siirtymäviat, C muotoviat sekä mm. D2. vuotanut muotti. Näiden vikojen syntyyn vaikuttavat myös virheelliset mallivarusteet tai kaavauksen apuvälineet, inhimilliset tekijät, väärät työtavat tai huolimattomuus. Ne voivat johtua esim. mallin rajusta irrottamista tai käytettyjen välineiden rikkoutumista kaavauksen yhteydessä tai rikkinäisten välineiden käyttämisestä sekä välineiden huonosta kunnosta. Siirtymäviat johtuvat pääasiallisesti huolimattomasti tai väärin toteutetusta muottien lukitsemisesta. Myös kuluneet ohjaustappien reiät ja muut kaavauksen apuvälineet saattavat olla syynä. Väärät seinämänpaksuudet ja virheelliset muodot johtuvat yleensä keernan siirtymisestä, sen väärästä asetuksesta, virheellisestä keernasta, keernan puuttumisesta, jakopintasiirtymästä tai virheellisistä mallivarusteista. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 65

66 Pintaviat E & F Kaavaukseen käytettävän hiekan laadulla on suuri vaikutus pintavikoihin. Hiekkojen ominaisuuksista mm. raekoko ja -muoto, pölypitoisuus, kosteus, epäpuhtaudet ja lämpötila vaikuttavat hiekkojen sulloutuvuuteen ja siten esimerkiksi kaasunläpäisevyyteen. Lisäksi epäpuhtaudet ja pöly alentavat lujuutta ja tulenkestävyyttä sekä lisäävät kaasunkehittymistä valussa. Kuva 70. E1: Karhea pinta E2: Kiinnipureutunut hiekka E3: Metallin tunkeuma hiekkaan Pintaviat E1.-E3. ovat saman vian eri asteita. Niiden syntymiseen vaikuttavat hiekan huonon laadun ja muotin valmistusvirheiden lisäksi valussa ja peitostuksessa tapahtuneet virheet. Ne voivat johtua esimerkiksi liian alhaisesta hiekan sintraantumislämpötilasta. Muotin valmistusvirheitä ovat mm. riittämätön sullonta. Nämä viat eivät välttämättä johda valukappaleen hylkäämiseen, mutta nostavat puhdistusajan (ja siten myös kustannukset) jopa monikertaisiksi. Näitä vikoja voidaan torjua peitostamalla muotti ja käyttämällä lisäaineita. Peitosteen merkitys on siinä, että se muodostaa tulenkestävän ja hienojakoisen kerroksen sulan ja muottihiekan väliin. Tulenkestävyys estää kemialliset reaktiot ja hienojakoisuus vaikeuttaa metallin tunkeutumista hiekkarakeiden väliin. E2. Kiinnipureutunut hiekka johtuu metallin ja muottiseinämän välisestä kemiallisesta reaktiosta. Rautaoksidilla FeO on taipumus reagoida kvartsin kanssa muodostaen fayaliittia Fe2SiO4, joka alentaa hiekan sintraantumispistettä ja lisäksi se helpottaa metallin tunkeutumista hiekkarakeiden väliin. Fayaliitti tunkeutuu muottihiekkaan ja aiheuttaa hiekan kiinnipureutumisen valukappaleen pintaan. E3. Metallin tunkeuma (muottiseinämään hiekkarakeiden väliin) johtuu sulan metallin metallostaattisesta paineesta. Metalli tunkeutuu muottihiekkaan, jos hiekkarakeiden väliset raot ovat riittävän kokoisia suhteessa sulan pintajännitykseen ja muotissa vallitsevaan metallostaattiseen paineeseen. Sulan pintakerros taipuu hiekkarakeiden väliin, kun sulan paine ylittää pintajännityksen. Tällöin hiekkaa jää mekaanisesti sulkeuksiin metallin sisään. Kuva 71. E4: Jakopinta purse E5: Halkeamapurse E4. Jakopintapurse syntyy kun metallia pääsee muottipuoliskojen tai keernan ja muottiviipaleiden väliin. Purseilu ei yleensä johda valukappaleen hylkäämiseen, koska se voidaan poistaa valun puhdistuksen yhteydessä. Runsaat purseet nostavat kuitenkin puhdistuksen kustannuksia merkittävästi. Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 66

67 Jakopintapurseen syntyyn voivat vaikuttaa useat eri kaavauksessa tapahtuneet virheelliset toimintatavat, mutta se voi johtua myös normaalia korkeammasta valulämpötilasta, liian suurista välyksistä muotin osien välillä, kuluneista mallivarusteista, suuresta muotin osien määrästä tai sulan virheellisestä koostumuksesta. E5. Halkeamapurseeksi kutsutaan valuvikaa, joka syntyy kun metalli tunkeutuu muotinseinämään muotin täyttymisen jälkeen muodostuneisiin halkeamiin. Halkeamat muodostuvat hiekan lämpölaajenemisen seurauksena. Ongelmaa voidaan torjua lisäaineilla. Halkeamisen todennäköisyyttä lisää liian kovaksi sullottu muotti, sideaineen huono kuumankestävyys, hiekan suuri lämpölaajeneminen sekä liian suuri sideainepitoisuus. Kuva 72. E6: Paisuma E7: Hiekkaputoama E8: Eroosio E6. Paisuma syntyy kun muotin seinämän lujuus on riittämätön, jolloin metalli työntää muotin seinämää ulospäin. Muotin seinämän riittämätön lujuus voi johtua esim. tuorehiekan väärästä kosteuspitoisuudesta ja liian löysästi sullotusta muotista. E7. Hiekkaputoama syntyy kun muotin seinämästä lohkeaa pala irti. Hiekka voi irrota mm. muotin heikosta kohdasta tai kova pintakerros voi irrota heikomman kohdan päältä. E8. Eroosio aiheuttaa rosoisen pinnan valukappaleeseen. Syynä tähän on juokseva valumetalli, joka on irrottanut hiekkaa muotin seinämästä tai valukanavistosta. Eroosio voi johtua mm. liian löysäksi sullotusta hiekasta, muottiseinämän alhaisesta kuumalujuudesta, liian ohuesta mallihiekkakerroksesta, huonosta peitosteesta sekä sisäänmenojen väärästä sijoittamisesta. Eroosio aiheuttaa myös vian I1. hiekkasulkeuma ja F3. hiekkareikä. Kuva 73. E9: Kuoriutuma F1: Rotanhäntä F2: Pintarikko E9. Kuoriutuma, F1 Rotanhäntä ja F2. Pintarikko johtuvat kaikki samoista syistä ja ovat saman vian eri asteita. Viat esiintyvät pääasiassa vain tuorehiekkamuoteilla. Näistä vioista käytetään yleisesti nimeä kuoriutumavaluvika. Kuoriutumavika syntyy, kun sulan metallin pintakerroksesta siirtyy muotin kattoon lämpöä säteilyn välityksellä. Katon pinta kuivuu ja kosteus tiivistyy pinnan takana olevaan kylmempään hiekkakerrokseen. Taaemmasta kerroksesta tulee liian kostea, jolloin kohdan lujuus heikkenee. Kvartsin laajentuessa kuivunut pintakerros repeää irti kostuneesta kerroksesta aiheuttaen pullistuman. Jos tähän syntyy repeämä, pääsee metalli tunkeutumaan siitä sisään (Kuva 74). Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 67

68 Kuva 74. Kuoriutumavaluvian syntymekanismi Kaasurakkulat H & Sulkeumat I Kaasurakkulat ja -huokoisuus eivät välttämättä johdu muotin korkeasta kaasupitoisuudesta vaan kaasujen poistumisen estymisestä. Suuri kaasupitoisuus on kuitenkin riski kaasurakkuloiden muodostumiselle. Kaasujen poistumista estää liian tiivis sullonta, pieni keskiraekoko tai liian laaja raejakauma. Rakkulan muodostava kaasu on peräisin joko sulasta metallista, muotin seinämästä tai keernasta. Valun alkaessa muottiontelo on täynnä kaasua (ilmaa), joka laajenee kuumuuden vaikutuksesta - ilmamäärä 15 C:ssa vaatii nelinkertaisen tilan 1200 C:ssa. Jos laajentuva ilma ei pääse poistumaan, se aiheuttaa kaasuhuokoisuutta, -rakkuloita tai -onteloita valukappaleeseen esimerkiksi estäessään muottionteloa täyttymästä täydellisesti sulalla metallilla. Valussa syntyy kaasuja sideaineiden palaessa. Kehittyvien kaasujen määrä riippuu mm. sideaineen määrästä siten, että suuri sideainepitoisuus lisää kaasunmuodostusta. Määrä riippuu myös sideaineen tyypistä. Kevytmetallien valussa syntyy muottikaasuja vähemmän kuin raudan tai teräksen valussa, koska valulämpötila on alhaisempi. Kaasut täytyy kuitenkin saada tarkkaan poistetuksi, koska ne tunkeutuvat helposti kevytmeltallisulaan. Peitoste voi myös aiheuttaa kaasurakkuloita, jos sitä asetetaan liian paksu kerros tai se kehittää kaasuja. Muotin tai keernan suuri kosteuspitoisuus saattaa olla myös syynä kaasuvikoihin. Kuva 75. I1: Hiekkasulkeumat I2: Kuonasuolkeumat I6: Peitostesulkeumat I1. Hiekkasulkeumat syntyvät kun hiekka irtoaa eroosion vaikutuksesta muotin seinämistä tai keernasta. Hiekkaa voi kulkeutua myös kanavistosta muottiin. Hiekkasulkeumien syyt ovat samat kuin vioilla E7.-E9. eli hiekkaa voi irrota esimerkiksi muotin heikosta kohdasta, kova pintakerros voi irrota heikomman kohdan päältä tai juokseva valumetalli irrottaa hiekkaa muotin seinämästä. Luetellut ongelmat voivat johtua liian löysäksi sullotusta hiekasta, muottiseinämän alhaisesta kuumalujuudesta, liian ohuesta mallihiekkakerroksesta, huonosta peitosteesta sekä sisäänmenojen väärästä sijoittamisesta. I2. Kuonasulkeumat syntyvät joko siten, että kuona on päässyt muottiin tai sitä muodostuu valun aikana. Metallin mukana seurannut kuona voi johtua mm. riittämättömästä senkan kuonauksesta Tarkistettu ja täydennetty (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 68