Valujen lämpökäsittely

Transkriptio

1 Valujen lämpökäsittely Lämpökäsittelyillä muutetaan materiaalin ominaisuuksia, lujuutta, sitkeyttä ja työstettävyyttä. Lämpökäsiteltävyyden ja lämpökäsittelyn käytön suhteen materiaalit voidaan jakaa ryhmiin seuraavasti: Valumateriaalit, jotka toimitetaan yleensä valutilaisina, mutta voidaan tarvittaessa lämpökäsitellä. Ryhmään kuuluu osa pallografiittivaluraudoista, suomugrafiittivalurauta, tylppägrafiittivalurauta sekä osa tulenkestävistä teräslaaduista. Valumateriaalit, joita toimitetaan yleisesti sekä valutilaisina että lämpökäsiteltyinä. Ryhmään kuuluvat kulumiskestävät valuraudat, austeniittiset valuraudat, osa alumiiniseoksista ja osa kuparipohjaisista seoksista. Valumateriaalit, jotka on lämpökäsiteltävä mikrorakenteen valmistamiseksi. Ryhmään kuuluu osa pallografiittivaluraudoista, adusoitu valurauta, ausferriittinen pallografiittivalurauta (ADI), kaikki teräslaadut useimpia tulenkestäviä teräksiä lukuun ottamatta, erkaumakarkaistavat alumiiniseokset sekä osa magnesiumseoksista. Valumateriaalit, joita ei lämpökäsitellä. Ryhmään kuuluvat kaikki painevalumenetelmällä valmistetut materiaalit, osa alumiini-piiseoksista, osa alumiini-pii-kupariseoksista, alumiini-magnesiumseokset sekä puhdas alumiini. Valurautojen lämpökäsittelyt yleisesti TTY, vanha luentomoniste Suomugrafiittivalurauta Suomugrafiittivaluraudan raerakenne on valutilassa useimmissa tapauksissa ferriittisperliittinen tai perliittinen, ja se on sellaisenaan käyttöön kelpaavaa. Lämpökäsittely suoritetaan seuraavissa tapauksissa: valujännitysten poistaminen pehmennys perliitin sisältämän sementiitin pallouttamiseksi tai raerakenteen täydelliseksi ferritoimiseksi työstettävyyden parantamiseksi karkaisu ja nuorrutus lujuuden ja kovuuden parantamiseksi pintakarkaisu kulutuskestävyyden paikalliseksi lisäämiseksi Jännityksenpoistohehkutus (myöstöhehkutus). Jännityksenpoistohehkutuksen tuloksena valujännitykset osittain laukeavat ja kappaleen lujuus nousee, mutta mikrorakenteellisia muutoksia ei tapahdu. Valujännitysten täydelliseen poistoon tarvittava lämpötila on yli 600 C, jolloin mahdollisuudet rakennemuutoksiin ovat jo olemassa. Tästä syystä jännitysten täydelliseen poistamiseen ei tavallisesti pyritä, mutta lämpötila valitaan niin korkeaksi kuin valuraudan lujuusominaisuuksien kannalta se on mahdollista. Katso oheinen taulukko (Taulukko 1) ja kuva (Kuva 1). 1 Valujen lämpökäsittely

2 Taulukko 1. Jännitystenpoistohehkutus. Pitolämpötilan ja ajan vaikutus valujännitysten laukeamiseen. Pitolämpötilan nostaminen laukaisee jännityksiä tehokkaammin kuin ajan pidentäminen. Kuva 1. Pitolämpötilan ja -ajan vaikutus valujännitysten purkautumiseen. (Gilbert) Pehmennyshehkutus. Pehmennyshehkutuksen voi tehdä tarpeelliseksi useakin syy. Ns. matalahehkutuksessa pyritään helpottamaan työstettävyyttä. Tavoitteena on perliitin pallouttaminen aiheuttamatta ferriittiä rakenteeseen. Lämpötila valitaan n. 25 C muutosvyöhykkeen alapuolelta ( C). Pitoaika riippuu lämpötilasta ja ainepaksuudesta (1h/25 mm). Ns. ferritoivalla keskihehkutuksella pyritään suurempaan pehmennykseen tai suorastaan ferriittiseen rakenteeseen. Se suoritetaan välittömästi muutosvyöhykkeen yläpuolella ( C, 1 h/25 mm). Jäähtymisnopeuden muutosvyöhykkeen alueella tulee olla niin hidas, ettei austeniittiin liuennut hiili aiheuta perliitin uudelleen muodostusta. Vaihtoehtoisesti voidaan sallia nopeampi jäähtyminen, mutta silloin suoritetaan toinen pito välittömästi muutosvyöhykkeen alapuolella. Kuitenkin, jos kysymyksessä on seostamaton ylieutektinen 2 Valujen lämpökäsittely

3 rauta, jonka hiili- ja piipitoisuudet ovat suuret, voidaan täysin ferriittinen rakenne saada myös vapaassa jäähtymisessä C lämpötilasta. Karbideja stabiloivien seosmetallien kuten kromin, vanadiinin, molybdeenin tai huomattavan mangaaniylimäärän läsnäolo taikka mangaani/rikkiepäsuhde vaikeuttavat pehmeäksihehkutusta pakottaen pidentämään hehkutusaikaa tai siirtymään korkeahehkutukseen. Prosentti kromia riittää kokonaan estämään pehmeäksihehkutuksen. Raudan karbideja stabiloivat aineet ja osittainen valkoiseksi jähmettyminen voi vaatia ns. korkeahehkutusta. Se suoritetaan C muutosvyöhykkeen yläpuolella. Pitoaika riippuu lämpötilasta ja raudan koostumuksesta (Taulukko 2). Taulukko 2. Suomugrafiittiraudan pehmeäksihehkutus Lämpötilan ja ajan valinnassa on otettava huomioon hehkuhilseen muodostuksesta johtuvat haitat. Jos halutaan lujuutta, eikä työstettävyys ole päätavoite, voidaan kappaleet korkeahehkutuksesta siirtää ilmaan jäähtymään n. 550 C saakka, minkä jälkeen ne palautetaan uuniin jännityspäästöön. Tällaisella käsittelyllä saadaan aikaan osittain perliittinen rakenne ja kohtalaisen hyvä lujuus. Muutoin jäähdytys suoritetaan kuten keskihehkutuksessa ferriittiseen rakenteeseen pyrittäessä (Kuva 2). Karkaisu ja nuorrutus. Kovuuden ja kulumiskestävyyden parantamiseksi suomugrafiittirautojakin voidaan karkaista ja nuorruttaa. Halkeilun vaara on sammutuksen yhteydessä suuri. Varsinaiset syvään karkaisut ja nuorrutukset ovatkin harvinaisia, mutta etenkin paikallista kulumiskestävyyttä aikaansaavia pintakarkaisuja suoritetaan jonkin verran. Ennen karkaisua kappaleet työstetään jättäen vain viimeistelyvaroja mahdollisia mittamuutoksia varten. (Taulukko 3). 3 Valujen lämpökäsittely

4 Kuva 2. Esimerkkejä harmaan valuraudan lämpökäsittelyohjelmista. a. Perliittiä pallouttava matalahehkutus työstettävyyden parantamiseksi. b. Perliittisen rakenteen ferritoiva keskihehkutus c. Osittain valkean rakenteen ferritoiva korkeahehkutus d. Perlitointi ( normalointi ). Taulukko 3. Karkaisu ja nuorrutus Tylppägrafiittivalurauta Tylppägrafiittiraudan lämpökäsittelyyn pätee yleisesti ottaen sama kuin suomugrafiittirautoihinkin. Tylppägrafiittiraudat ovat hieman lujempia ja siksi niihin liittyvät valujännitykset ovat jonkin verran suurempia. Sitkeys on samoin parempi, mutta pallografiittivalurauta on kuitenkin vielä nopeissa sammutuksissa herkkää halkeilulle. Pallografiittivalurauta Matriisin tyypin muuttamiseksi tai tasaamiseksi käytetään tavallisesti joko ferritointia, ferriperlitointia tai perlitointia. Katso seuraava taulukko (Taulukko 4) ja kuvat (Kuva 3 ja Kuva 4). 4 Valujen lämpökäsittely

5 Taulukko 4. Pallografiittirautojen lämpökäsittely Kuva 3. Esimerkkejä pallografiittivaluraudan lämpökäsittelyohjelmista. A = austenointi, yhteinen vaihe eri laaduille. P = perlitointi nopealla ilmajäähdytyksellä. J = jännitystenpoistohehkutus (tarvittaessa). PF = perliittisferriittinen ohjelma pidolla kriittisellä alueella; menetelmä sopii kammiouuneille, joiden lämpötilansäätö on tarkka. F = ferritointi uunijäähdytyksellä C/h. 5 Valujen lämpökäsittely

6 Kuva 4. Nuorrutetulla pallografiittivaluraudalla saavutettavia ominaisuuksia. Pallografiittirautojen nuorruttaminen ja karkaiseminen on tavallisempaa kuin esim. suomugrafiittirautojen. Karkaisu suoritetaan n. 870 C:sta yleensä öljyyn ja päästölämpötila riippuu halutusta kovuus/sitkeys suhteesta ( C). Mielenkiintoisia ominaisuuksia on saavutettu kehittämällä erilaisia bainitointi- (Kymenite) ja austeniittis-bainitointi -menettelyjä. Bainitointikäsittelyssä sammutus tapahtuu isotermilämpötilaan alueelle C. Keskeyttämällä bainitointi sopivasti, saadaan rakenteeseen jäämään % jäännösausteniittia. Tietyllä seostuksella jäännösausteniitti on erittäin stabiilia ja sen hiilipitoisuus jää korkeaksi (jopa 1,8 %). Sillä on taipumus muuttua muokkauksen yhteydessä martensiitiksi ja aikaansaada rasitetun kohdan kovuuden nousu. tällaisen rakenteen käytännön kulumiskestävyys ja väsymislujuus ovat erityisen hyviä. Pallografiittivaluraudoille voidaan soveltaa liekki-, induktio- ja typetyspintakarkaisumenetelmiä. Karkaistavien kappaleiden perusrakenteen tulee olla perliittinen. Adusoitu eli tempervalurauta Adusoitu- eli temperrauta valmistetaan valkoiseksi valetusta perusaineesta. Valkoiseksi valettu perusaine merkitsee sitä, että valun jälkeen on kaikki raudassa oleva hiili sitoutunut karbideiksi. Valkoinen valu saadaan aikaan valitsemalla raudan piipitoisuus pieneksi. Valun jälkeen rakenteessa ei ole lainkaan vapaata hiiltä grafiittina. Valmistus tapahtuu pitkäaikaisella hehkutuksella joko hapettavassa tai neutraalissa ympäristössä. Hapettavassa atmosfäärissä hiili poistuu kokonaan valun pintakerroksista (Eurooppalainen eli valkoydintempervalu). Neutraalissa ympäristössä pintakerroksesta ei tapahdu hiilenkatoa ja rakenne on homogeeninen (Amerikkalainen eli mustaydintempervalu). Katso jäljempänä oleva kuva (Kuva 5). 6 Valujen lämpökäsittely

7 Kuva 5. Mustan ja valkoisen temperraudan adusointikaaviot. Musta temperrauta on jäähdytettävä hitaasti erityisesti lämpötilavälillä C, jos temperhiilen pohjaksi halutaan ferriittiä. Valkoinen valurauta on kovaa ja haurasta (pumppujen pesät). Hauras raakavalu voidaan lämpökäsitellä sitkeäksi eli adusoida, minkä tuloksena on rakenne, jossa on grafiittikeräsiä ferriitti- ja tai perliittipohjalla (Taulukko 5). Taulukko 5. Temperrautojen adusointi ja nuorrutus suoraan adusointihehkutuksesta 7 Valujen lämpökäsittely

8 Taulukko 6. Perliittisen ja ferriittisen temperraudan nuorrutus Kuva 6. Esimerkki perliittisen (P) ja ferriittisen (F) tempervaluraudan lämpökäsittelyohjelmasta Adusoinnin ensimmäisessä vaiheessa lämpötila nostetaan hitaasti n. 940 C:een. Jotta kappaleet eivät vääntyilisi tai repeilisi, on lämpötilan nostoajan oltava vähintään 4 h. Lämpötilan noston aikana grafiittikeräset ydintyvät rautaan. Mitä suurempi on raudan hiilija piipitoisuus ja mitä korkeampi on sen hehkutuslämpötila, sitä enemmän grafiittikeräsiä syntyy (sopiva määrä on kpl/mm 2 ). Jos grafiittikeräsiä on liikaa, saattaa rakenteessa esiintyä suuntautuneisuutta mikä johtuu grafiitin ydintymisestä primäärikarbidin ja austeniitin rajoille. Suuntautuneisuus alentaa mekaanisia ominaisuuksia. Jos grafiittikeräsiä on vähän, muodostuu adusointiaika pitkäksi, koska hiilen on diffundoiduttava pitkiä matkoja päästäkseen lähimpään grafiittikeräseen. Hehkutuksen aikana hiili erkautuu lämpötilan noston aikana syntyneisiin grafiittiytimiin. Grafiittikeräset kasvavat kunnes kaikki rakenteessa olleet karbidit ovat hajonneet. Useiden tuntien hehkutuksen jälkeen kappaleet jäähdytetään ns. kriittiselle lämpötila-alueelle C. Jäähdytys vie 1-6 h riippuen panoksen suuruudesta ja uunista. Jäähdytysvaiheen aikana Rakenteessa oleva austeniitti muuttuu ferriitiksi, grafiitiksi, perliitiksi tai martensiitiksi riippuen jäähdytysnopeudesta. Vesihöyryä on vältettävä, sillä vety aiheuttaa hiilenkatoa valukappaleiden pinnalla. Nuorrutettu tempervalurauta soveltuu kappaleisiin, joilta vaaditaan suurehkoa lujuutta, pintapaineen kestoa ja kohtalaista kulumiskestävyyttä. Paitsi sammuttamalla suoraan adusointihehkutuksesta, perliittinen temperrauta voidaan nuorruttaa erikseenkin. Myös täysin ferriittistä temperrautaa voidaan nuorruttaa, kunhan sitä ensin hehkutetaan Valujen lämpökäsittely

9 C lämpötilassa. Ferriittisestä nuorrutetun kappaleen lujuusominaisuudet saattavat olla hieman huonommat kuin perliittisestä temperraudasta nuorrutetun. Pintakarkaisu sopii hyvin perliittiselle temperraudalle. Pinta karkaistaan useimmiten liekkitai induktiokarkaisumenetelmällä, mutta elektronisuihkua ja laseriakin on käytetty paikalliskarkaisussa. Monimutkaiset ja nopeasti sammutetut kappaleet vaativat usein myös jännityksenpoistohehkutuksen ( C, 1h/25mm). Lämpökäsittelyssä syntyneet mittapoikkeamat ja vääristymät voidaan korjata mekaanisella oikaisulla. Kuva 7. Tärkeimmät grafiittimuodot periaatteellisina. GJL = suomugrafiitti, GJV = tylppägrafiitti, GJS = pallografiitti Kuva 8. Muutoslämpötila-alueen riippuvuus piipitoisuudesta. 1. Austeniittia + grafiittia; 2. Austeniittia + ferriittiä + grafiittia; 3. Ferriittiä + grafiittia. 9 Valujen lämpökäsittely

10 Kuva 9. Stabiili (katkoviivat) ja metastabiili olotilapiirros oleellisilta osiltaan. Huomaa austeniitin maksimi hiilipitoisuus n. 2 % ja sementiitin hiilipitoisuus. Pallografiittivalurautojen lämpökäsittely TTY, vanha luentomoniste Pallografiittirautakappaleen valmistusketjuun kuuluu lämpökäsittely, vaikka valutilaisen pallografiittiraudan käyttö on selvästi lisääntynyt verrattuna materiaalin kehitysajankohtaan. Lämpökäsittely muodostaa kuitenkin pallografiittiraudalle laatutakuun ja varmistaa sen vuoksi tälle raaka-aineryhmälle monia hyviä ominaisuuksia. Seuraavaan luetteloon on koottu lämpökäsittelyvaiheen hyviä ja huonoja puolia. Edut: Suurempi varmuus siitä, että kaikki valut ovat vapaita karbideista. Voidaan valmistaa rautalaadusta riippumatta lähes kaiken kokoisia ja -muotoisia valuja. Mahdollisuus valmistaa samasta perusanalyysistä lähtien monia raaka-ainetyyppejä. Ei vaadita niin suurta sulatustarkkailua kuin valutilaisessa pallografiittiraudassa. Asiakas luottaa paremmin lämpökäsiteltyyn pallografiittirautaan. Haitat: Lämpökäsittely ja kappaleiden käsittely aiheuttaa korkeita kustannuksia. Vaara kappaleen vääristymiseen ja vaihtelut mitoissa. Hilseilyvaara. Puhdistuskustannusten lisääntyminen hilseilyn takia. Usein tarvitaan useamman eri tyypin uuneja. 10 Valujen lämpökäsittely

11 Ennen kuin aletaan käsitellä yksittäisiä lämpökäsittelymenetelmiä ja niiden vaikutusta, tarkastellaan hieman valuraudan lämpökäsittelyn metallurgisia perusteita. Kaikkien rauta-hiiliseosten lämpökäsittelyn perusteena on olotilapiirros. Puhdas rauta koostuu kolmesta päämuodosta, α-ferriitistä ja δ-ferriitistä, jotka ovat tkk-tyyppejä, sekä γ- austeniitista, joka on pkk-tyyppinen. Lämpötilat, missä nämä faasit ovat stabiileja, ilmenevät olotilapiirroksesta (Kuva 9). Jäähtymisnopeuden vaikutusta austeniitin uudelleen muodostumiseen voidaan parhaiten tarkastella seuraavan kuvan (Kuva 10) avulla, joka esittää varsin tavanomaista 0,3 % hiiltä sisältävää terästä. Kuvan perusteella voidaan päätellä, että hitaan jäähtymisen (suora LM) yhteydessä austeniitti muodostuu rakenteeksi, joka sisältää ferriittiä ja sementiittiä eli perliitiksi. Kun tullaan A1-lämpötilan alapuolelle, tässä tapauksessa 725 C, ja jäähtymisnopeus lisääntyy, rakenne kokonaisuudessaan tulee hienommaksi. Jäähtymisen seuratessa viivaa LN, perliittinenä vältetään ja austeniitti muuttuu bainiitiksi. Jäähtymisen ollessa hyvin nopeaa, esim. viivaa LO pitkin tapahtuvaa, muodostuu martensiittia. Pallografiittiraudan käyttö perustuukin juuri edellä oleviin ominaisuuksiin, ts. sen perusmassan rakenne on lämpökäsittelyn avulla muutettavissa haluttujen ominaisuuksien mukaisiksi. Kuva 10. 0,3 % hiiltä sisältävän teräksen jäähtymiskäyriä. Pallografiittiraudan yhteydessä suoritetaan seuraavia lämpökäsittelyjä: ferritointi perlitointi eli normalisointi ferri-perlitointi karkaisut nuorrutus Valimotuotannossa ovat tavanomaisimpia lämpökäsittelyitä ferritointi, normalointi ja ferriperlitointi, mutta lujuusvaatimusten ja monien teknologisten vaatimusten lisääntyessä ovat myös isotermiset lämpökäsittelyt tulleet entistä merkittävimmiksi. 11 Valujen lämpökäsittely

12 Ferritointi Ferritoinnin menettelyperiaatteet käyvät parhaiten ilmi oheisesta kuvasta (Kuva 11, merkitty menetelmät 1-3). Eri menetelmiä voidaan lyhyesti kuvata seuraavasti: 1. Kuumennus lämpötilaan, joka on juuri alemman kriittisen lämpötilan alueella, pito tässä lämpötilassa niin kauan, että perliitti on muuttunut grafiitiksi ja ferriitiksi. 2. Kuumennus lämpötilaan, joka on ylemmän kriittisen lämpötilan yläpuolella, jolloin matriisi muuttuu täysin austeniittiseksi; sopivan hidas jäähdytys niin, että γ- austeniitti muuttuu suoraan α-ferriitiksi ja grafiitiksi. Kriittiseen lämpötilaan asti on olemassa sekä austeniittia, ferriittiä että rautakarbidia ja riippuu siitä jäähtymisnopeudesta jolla kriittinen alue ohitetaan, muodostuuko rakenne ferriitiksi ja grafiitiksi vai muodostuuko perliittinen perusrakenne. 3. Jos jälleen, kun rauta on kuumennettu kriittisen lämpötilan yläpuolelle, rauta jäähdytetään nopeasti niin, että aikaansaadaan joko perliittiä tai martensiittia. Uudelleenkuumentamalla valu juuri kriittisen lämpötilan alapuolelle ja jatkamalla samoin kuin menetelmässä 1, hiili diffundoituu matriisista grafiittipalloihin ja matriisi muuttuu ferriittiseksi. Kuva 11. Lämpötilakäyrät ferritoinnissa. Saavutettavan ferriittisyysasteen määrään vaikuttavat erityisen voimakkaasti juuri jäähtymisnopeus ja myös pitoaika käsittelylämpötilassa. Näiden tekijöiden vaikutus ilmenee oheisesta kuvasta (Kuva 12). Seos- ja lisäaineilla on myös varsin oleellinen merkitys ferritointikäsittelyn onnistumiseen erikoisesti kun tarkastellaan sitä tehokkuutta, joka vaaditaan, että perusaine muuttuu täysin ferriittiseksi. Valuraudat B ja E (Kuva 12) ilmentävät tätä seikkaa jo varsin selvästi, kun otetaan huomioon, että niiden analyysissä on varsin suuri ero pii- ja nikkelipitoisuuksissa ja myös mangaanimäärät poikkeavat jonkin verran toisistaan. Seuraavasta kuvasta (Kuva 13) ilmenee kolmella erityyppisellä perusraudalla piipitoisuuden vaihtelun merkitys matriisin perliittipitoisuuteen suoritettaessa ferritointi edellä kuvattua menetelmää 2 käyttäen ja vastaavasti kuvan vieressä olevasta taulukosta (Taulukko 7) ilmenee nikkeli- ja mangaanipitoisuuden merkitys saman menetelmän jäähtymisnopeuteen ( C) kriittisellä lämpötila-alueella. 12 Valujen lämpökäsittely

13 Vastaavasti pallografiittivaluraudan valmistuksessa käytettävän tavanomaisen romun sisältämät pienet oheisainemäärät (esim. kromi, tina) voivat ehkäistä ferritoinnin täydellisen onnistumisen. Kuva 12. Jäähtymisnopeuden ja pitoajan vaikutus ferriittipitoisuuteen. Taulukko 7. Ni- ja Mnpitoisuuden vaikutus ferritoinnissa Jäähtymisnopeus Nipitoisuupitoisuus Mn- alueella % % C 0 0, , , , , ,5 10 1,5 0,1 30 1,5 0,3 10 Kuva 13. Piipitoisuuden vaikutus matriisin perliittipitoisuuteen. Ferriittisen lämpökäsittelyn tarkoituksena on aikaansaada täysin ferriittinen perusaine. Voimassa oleva EN-standardi SFS-EN 1563:en sisältää ferriittiset pallografiittiraudat EN-GJS , EN-GJS ja EN-GJS Standardissa näille aineille taataan seuraavat vetokoearvot erilleen valetusta koesauvasta mitattuna (Taulukko 8). 13 Valujen lämpökäsittely

14 Taulukko 8. Ferriittisten pallografiittivalurautojen mekaaniset ominaisuudet erikseen valetusta koesauvasta. t = seinämänpaksuus. 30 mm vastaa nimellisarvoja. Iskusitkeys Aine Rm N/mm 2 (t 30) R 0,2 N/mm 2 (t 30) A % (t 30) KV J (t 30, kolmen näytteen keskiarvo) KV J (t 30, yksittäinen arvo) Koestuslämpötila T C EN-GJS LT ± 2 EN-GJS RT ± 5 EN-GJS EN-GJS LT ± 2 EN-GJS RT ± 5 EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS Kemiallisen koostumuksen vaihdellessa voivat myös ferriittisen pallografiittiraudan vetoominaisuudet vaihdella melko laajoissakin rajoissa. Tämä käy parhaiten ilmi seuraavasta taulukosta (Taulukko 9), jossa eri seosaineiden vaikutusta on vertailtu GJS400-luokkaa olevaan perusaineeseen. Eräät tutkijat ovat laatineet myös regressioanalyysejä kemiallisen koostumuksen ja veto-ominaisuuksien välille. Oheisessa taulukossa (Taulukko 10) on tästä esimerkkinä Reynoldsin esitys muutettuna MKSA-järjestelmään. Taulukon mukaiset koearvot mahdollistavat samalla ferriittisen pallografiittiraudan lujuudenmäärityksen ainetta rikkomatta, analyysiin perustuen. Käytännön pohjalta on sanottava, että sekä vetomurtolujuus että 0,2-raja käytännössä kokeellisesti kaavan mukaan laskettuna pitävät likimain yhtä, mutta venymäarvot kokeellisesti mitattuna ovat selvästi alhaisempia kuin kaava arvolla saadut venymät. Taulukko 9. Seosaineiden vaikutus ferriittisen pallografiittiraudan ominaisuuksiin. 14 Valujen lämpökäsittely

15 Taulukko 10. Laskentayhtälöitä veto-ominaisuuksien määräämiseksi ana1yysin perusteella ferriittise1le pallografiittiraudalle. Pallografiittiraudan ferriitin raekoko ei tavallisesti vaihtele kovinkaan paljon; rakeiden hienouteen voidaan lämpökäsittelyarvojen sopivalla valinnalla kuitenkin vaikuttaa. Raekoon pienentyessä on seurauksena myötörajan kasvu ja vetomurtolujuuden lisääntyminen, kun taas venymä pienenee raekoon hienontuessa. Valukappaleen seinämänpaksuus vaikuttaa jonkin verran ferriittisen pallografiittiraudan veto-ominaisuuksiin, mutta mistään suomugrafiittiraudalle ominaisesta seinämäherkkyydestä ei ole kuitenkaan kysymys. Perlitointi Ferritoinnista poiketen on oikeastaan olemassa vain yksi perusmenetelmä, jolla pallografiittiraudan rakenne lämpökäsitellään perliittiseksi. Tämän menetelmän mukaisesti valukappale kuumennetaan ensin kriittisen lämpötila-alueen yläpuolella ja sen jälkeen se jäähdytetään ilmassa sellaisella nopeudella, että perusmassa muuttuu perliittiseksi ja ferriitin muodostus estyy. Täysin perliittisen rakenteen aikaansaaminen monimutkaisissa valukappaleissa on vaikeaa ja useasti esim. tavanomaiset uunirakenteet eivät suoraan sovi normalisoinnin teoreettisesti oikeaan suorittamiseen. Tästä johtuen normalisoitaviin pallografiittirautoihin usein lisätään perlitoivia seosaineita. Jäähtymisnopeus vaikuttaa suoraan eutektisen perliitin hiilipitoisuuteen ja sen rakenteeseen. Kappaleen kuumentaminen austenitointilämpötilaan aikaansaa karbidien hajoamisen, mutta sen seurauksena myös austeniitin raekoko lisääntyy. Normalisoinnin yhteydessä austenitointilämpötila on yleensä 900 C; joissain tapauksissa se saattaa olla myös C. Austenitointiaika määrätään vanhan "nyrkkisäännön" - tunti + tunti/tuuma - mukaan 900 C lämpötilassa. Mikäli lämpötila on alle 900 C, on austenitointiajan oltava aina hieman pitempi. Jäähtymisnopeus vaikuttaa suoraan eutektisen perliitin hiilipitoisuuteen ja sen rakenteeseen. Hiilipitoisuuden merkitys on varsin olennainen muodostuvan perusmassan kovuuteen (Kuva 14), jonka perusteella voidaan myös arvioida perliitin kokonaisosuutta. Jäähtymisnopeus riippuu luonnollisesti hyvin voimakkaasti valukappaleen koosta. Vaikka pallografiittiraudan normalisoinnin jäähtymisnopeudesta ei olekaan olemassa tarkkoja ja yksikäsitteisiä käyriä, voidaan jäähtymisnopeuden katsoa melko tarkasti noudattavan oheisten kuvien (Kuva 15 ja Kuva 16) esittämiä ohjeellisia arvoja. Perliittisen rakenteen varmistamiseksi valurautaan sekoitetaan usein kuparia, mangaania tai molybdeenia. Näistä eri aineilla on luonnollisesti eri vahvuinen perlitointikyky. Kuten 15 Valujen lämpökäsittely

16 jäljempänä olevasta taulukosta (0) ilmenee, ei mangaani sinällään ole kovinkaan hyvä perlitoija, mutta kupari- ja tinalisäys aikaansaavat 95 %:sti perliittisen perusmassan. Eri seosaineiden vaikutusta voidaan lyhyimmin tarkastella oheisen taulukon (Taulukko 12) avulla. Tähän taulukkoon on koottu tavanomaisimpien seosaineiden vaikutus normalisoituun perusmassaan. Normalisointilämpökäsittely suoritetaan edellä olevan perusteella siis siten, että austenitointilämpötila on yli 900 C, tavallisesti C. Austenitointiaika vaihtelee kappaleen koosta ja uunityypistä riippuen ja myös karbidimäärä vaikuttaa valittavaan aikaan. Perliittinen rakenne aikaansaadaan tämän jälkeen: voimakkaalla ilmajäähdytyksellä uunissa voimakkaalla ilmajäähdytyksellä siten, että kappale on otettu pois uunista ja jäähdytetään valimon lattialla usein puhaltaen siihen kylmää ilmaa seostamalla Kuva 14. Hiilipitoisuuden vaikutus kovuuteen. 16 Valujen lämpökäsittely

17 Kuva 15. Pallografiittiraudan normalisoinnin jäähtymisnopeus. Kuva 16. Pallografiittiraudan normalisoinnin jäähtymisnopeus. 17 Valujen lämpökäsittely

18 Taulukko 11. Seosaineiden vaikutus perliitin määrään matriisin ollessa valutilainen. Perliittisiä pallografiittirautoja ovat suomalaisen SFS-EN 1563:en standardin EN-GJS ja EN-GJS Näille valuraudoille standardi määrittelee oheisen taulukon (Taulukko 13) mukaiset vetokoeominaisuudet määriteltynä erillään valetun koesauvan avulla. Taulukko 12. Seosaineiden vaikutus normalisoituun pallografiittirautaan. 18 Valujen lämpökäsittely

19 Taulukko 13. Perliittisen pallografiittiraudan ominaisuudet SFS-EN 1563:en mukaan. t = seinämänpaksuus. 30 mm vastaa nimellisarvoja. Aine Rm N/mm 2 (t 30) R 0,2 N/mm 2 (t 30) A % (t 30) HBW (t 60) EN-GJS * EN-GJS * *) ohjeellinen arvo Perlitoinnin tuloksena pallografiittivaluraudan vetomurtolujuus kasvaa, mutta samalla venymä pienenee ja raaka-aine haurastuu. Tämä ilmenee parhaiten oheisesta kuvasta (Kuva 17), jossa on verrattu valutilaisen ja perlitoidun valuraudan ominaisuuksia. Kuvasta voidaan edelleen päätellä, että venymä laskee voimakkaasti alle nollan olevissa lämpötiloissa, minkä vuoksi voidaan päätellä, ettei perliittinen pallografiittirauta kestä iskumaisia rasituksia pakkasolosuhteissa. Edellä olevassa taulukossa (Taulukko 12) kuvattiin eri seosaineiden vaikutusta lujuusominaisuuksiin ja todettiin, että useimmat tavanomaiset seosaineet nostavat myötörajaa ja vetomurtolujuutta, sekä myös kovuutta, mutta tällöin aiheutuu haurasmurtuma-alttiuden lisääntyminen. Valukappaleen seinämänpaksuuden vaikutus mekaanisiin ominaisuuksiin ilmenee parhaiten seuraavasta kuvasta (Kuva 18), josta ilmenee, että sekä vetomurtolujuus, myötöraja että kovuus alenevat seinämänpaksuuden kasvaessa, mutta mistään varsinaisesta seinämäherkkyydestä ei tässäkään tapauksessa ole kysymys. Kuva 17. Valutilaisen ja perlitoidun pallografiittivaluraudan vertailu. 19 Valujen lämpökäsittely

20 Kuva 18. Valukappaleen seinämänpaksuuden vaikutus mekaanisiin ominaisuuksiin Ferri-perlitointi Kolmas tavanomaisista pallografiittiraudan lämpökäsittelyistä on ferri-perlitointi, joka voidaan suorittaa seuraavan kuvan (Kuva 19) antamien menetelmien mukaan. Kuva 19. Ferri-perlitoinnin lämpötilakäyrät. 20 Valujen lämpökäsittely

21 Perliittis-ferriittinen valurauta on luonnollisestikin ferriittisen ja perliittisen pallografiittiraudan välimuoto, jossa yhtyvät ferriittisten laatujen hyvät sitkeysominaisuudet ja perliittisten laatujen hyvät vetomurtolujuusarvot. Kuten edellä esitetystä on käynyt ilmi, lisääntyy raaka-aineen lujuus perliittipitoisuuden lisääntyessä ja vastaavasti venymä kasvaa ferriitin lisääntyessä. Kuva 20 antaa esimerkkinä vetomurtolujuuden ja venymän muutoksen perliittimäärän funktiona. Kuva 20. Perliittipitoisuuden vaikutus pallografiittivaluraudan venymään ja murtolujuuteen. Suomalaisessa standardissa SFS-EN 1563:en on kaksi ferriittisperliittistä pallografiittirautaa EN-GJS ja EN-GJS-600-3, joiden ominaisuudet ovat seuraavan taulukon (Taulukko 14) mukaiset. Taulukko 14. Ferriittis-perliittisen pallografiittiraudan ominaisuudet SFS-EN 1563:en mukaan. t = seinämänpaksuus. 30 mm vastaa nimellisarvoja. Aine Rm N/mm 2 (t 30) R 0,2 N/mm 2 (t 30) A % (t 30) HBW (t 60) EN-GJS * EN-GJS * *) ohjeellinen arvo Karkaisumenetelmät Pallografiittivaluraudoille voidaan soveltaa liekki-, induktio- ja typetyspintakarkaisumenetelmiä. Karkaistavien kappaleiden perusrakenteen tulee olla perliittinen. Eri tekijät vaikuttavat karkenevuuteen seuraavasti: lisättäessä austenitointiaikaa ja lämpötilaa, lisääntyy karkenevuus lisättäessä hiilipitoisuutta ja näin ollen myös grafiitin määrää, vähenee karkenevuus lisättäessä piipitoisuutta lisääntyy karkenevuus edellyttäen, että piipitoisuutta lisättäessä austenitointilämpötilaa voidaan nostaa, mutta jos austenitointilämpötila on kiinteä, piilisäys alentaa karkenevuutta mangaani lisää karkenevuutta ja samoin myös nikkeli molybdeeni lisää karkenevuutta, kun sitä käytetään nikkelin kanssa. 21 Valujen lämpökäsittely

22 Karkaisemalla aikaansaatu pallografiittirauta on kovaa ja haurasta ja sisältää haitallisia karkaisujännityksiä. Se ei tässä muodossa useinkaan ole käyttökelpoista, minkä vuoksi se on päästettävä C, jolloin sen sitkeys ja iskunkestävyys lisääntyvät ja paranevat lisää päästölämpötilan ja -ajan kasvaessa. Pallografiittiraudan päästöhauraus on aivan samankaltainen ilmiö kuin nuorrutusteräksissäkin ja ilmenee lämpötila-alueella C, jos herkkiä aineosasia on käytetty. Pii ja fosfori ovat tärkeimpiä niistä aineista, jotka vaikuttavat päästöhaurauteen, mutta tällöin yleensä pieni molybdeenilisäys on tehokas estämään haurastumisen. Valuterästen lämpökäsittely TTY, vanha luentomoniste Teräsvalujen lämpökäsittelyt eivät periaatteessa eroa vastaavista teräslaaduista valmistettujen muokattujen tuotteiden lämpökäsittelyistä. Terästyypistä riippuen valuja normalisoidaan nuorrutetaan, austenitoidaan, pintakarkistaan jne. Tavoitteena on joka tapauksessa saada kappaleeseen tai kappaleen tiettyyn osaan haluttu mikrorakenne ja sitä kautta ominaisuusyhdistelmä, joka täyttää käyttäjän vaatimukset. Käytännössä valujen lämpökäsittelyprosessit saattavat erota huomattavastikin muokattujen tuotteiden yleensä suoraviivaisista käsittelyprosesseista. Eroja esiintyy varsinkin käsittelyvaiheiden lukumäärässä, käsittelyajoissa ja jossain määrin myös lämpötiloissa sekä käsittelylaitteistoissa. Tärkeimmät eroja aiheuttavat tekijät ovat: ainepaksuudet, jotka saattavat valuissa olla hyvinkin suuret valujen suurista ainepaksuuksista ja hitaasta jähmettymisestä ja jäähtymisestä johtuvat merkittävät mikro ja makrosuotaumat valujen epähomogeeninen valutilan rakenne, johon ei muokkauksella vaikuteta valutuotteiden suuret työvarat valukkeet ja valuvirheet, joiden vuoksi valmistusprosessissa joudutaan käyttämään polttoleikkausta ja hitsausta 22 Valujen lämpökäsittely

23 Normalisointi Normalisoinnilla tarkoitetaan lämpökäsittelyä, jolla pyritään hienoon ja tasarakeiseen ferriittis-perliittiseen mikrorakenteeseen, joka antaa teräkselle kohtuullisen hyvät lujuus- ja väsymisominaisuudet sekä hyvän sitkeyden. Normalisointi suoritetaan austenitoinnein A3- lämpötilan yläpuolella ja jäähdytetään ilmassa huoneenlämpötilaan. Erona muokkaustuotteiden ja valujen normalisoinnissa on se, että valut normalisoidaan C korkeammassa lämpötilassa kuin vastaavat muokatut teräkset lähinnä homogeenisuuden parantamiseksi. Tämä voidaan tehdä ilman oleellista rakeenkasvuvaaran lisääntymistä siksi, että valut sisältävät yleensä enemmän rakeenkasvua estäviä rakenneosia kuin muokatut tuotteet. Raskaissa valukappaleissa ilmajäähdytys on usein liian hidas antaakseen tavoitellun mikrorakenteen ja siitä aiheutuvat edulliset ominaisuusyhdistelmät. Rakenteeksi muodostuu tällöin ferriitin ja palloutuneen perliitin seos, jonka lujuus- ja iskusitkeysarvot ovat paljon normaaleja huonommat. Ongelma voidaan välttää tehostamalla austenitoinnin jälkeistä jäähdytystä paineilmapuhalluksella, öljysammutuksella tai vesisammutuksella. Täten voidaan tavoiteltujen ominaisuuksien edellyttämä mikrorakenne toteuttaa jopa useiden satojen millimetrien paksuisissa kappaleissa, kun ilmajäähdytys riittää tuskin yli 50 mm:n ainevahvuuksiin. Muodoiltaan monimutkaisissa kappaleissa tämä tehostus aiheuttaa jännityksiä sekä lisäksi aivan kappaleen pintaosaan voi muodostua kovaa martensiittia, joka hankaloittaa kohtuuttomasti koneistusta. Tämän vuoksi tehostetun normalisoinnin jälkeen joudutaan usein suorittamaan myöstö C, mikä laukaisee käsittelyjännitykset ja päästää syntyneen martensiitin koneistuskelpoiseksi. Pehmeäksi hehkutus Normalisoinnin jälkeen teräsvalu on liian kova koneistettavaksi, tällöin suoritetaan pehmeäksi hehkutus. Rakenne, johon tähdätään, on ferriittirakenne, jossa on pallomaisia karbidisulkeumia. Käsittely tehdään A1:n molemmin puolin ja sammutus tapahtuu ilmassa tai uunin mukana. 23 Valujen lämpökäsittely

24 Jännitysten poisto Erilaisissa käsittelyissä kuten valussa, hitsauksessa ja karkeassa koneistuksessa syntyy rakenteeseen erilaisia jännityksiä, jotka saattavat aiheuttaa murtumia ja koneistuksen yhteydessä voimakasta vetelyä. Nämä jännitykset poistetaan myöstöhehkutuksella eli myöstöllä, joka suoritetaan pitämällä kappaletta useita tunteja alle 650 C: n lämpötilassa ja jäähdyttämällä kappale uunin mukana. Käsittely voidaan yhdistää muihin lämpökäsittelyihin, esimerkiksi normalisointiin, jolloin kappaleen annetaan ensin jäähtyä ilmassa 650 C:n ilmassa ja sen jälkeen kappale siirretään uunin ja annetaan jäähtyä uunin mukana. Karkaisu Karkaisun tarkoituksena on saada kappaleelle suuri kovuus siten, että kappaletta pidetään jonkin aikaa sopivasti A1:n yläpuolella ja sen jälkeen sammutetaan veteen, ilmaan tai öljyyn. Sammutuksen jälkeen kappaleessa on kova martensiittinen rakenne. 24 Valujen lämpökäsittely

25 Päästö Päästön tarkoitus on karkaisussa syntyneen kovan ja hauraan martensiittirakenteen pehmentäminen ja sitkistäminen. Nuorrutus (ilmassa karkenevat seosteräkset) Nuorrutuskäsittelyllä pyritään päästömartensiittiseen rakenteeseen, joka antaa teräkselle suuren lujuuden ja väsymiskestävyyden sekä hyvän sitkeyden. Nuorrutus koostuu karkaisusta A3-lämpötilan yläpuolelta sekä C:n päästöstä. Käsittelylämpötiloissa ja pitoajoissa ei ole eroa muokattuihin verrattuna, mutta prosessi on erittäin vaativa pyrittäessä korkealuokkaiseen tuotteeseen. Käsittelyprosessia suunniteltaessa on otettava huomioon seuraavaa: valukappaleessa olevat terävät nurkat ja jyrkät poikkipinnan muutokset voivat aiheuttaa karkaisurepeämiä monimutkaiset ja epäsymmetriset muodot saattavat aiheuttaa vetelyä edellisten vuoksi ei voida käyttää ylikorkeita karkaisulämpötiloja, mutta toisaalta vaatimukset täyttävien materiaaliominaisuuksien saavuttamiseksi homogeeninen austeniittirakenne täytyy aikaansaada ennen sammutusta suurten pintatyövarojen ja karkean valupinnan vuoksi valukappaleen karkeneminen saattaa jäädä odotettua huonommaksi. Ongelman poistamiseksi voidaan käyttää sammutuksen tehostamista tai seostuksen ja siten karkenevuuden lisäystä. Näistä on kuitenkin seurauksena repeämien ja vetelyjen lisääntyminen ja valmistushitsauksen vaikeutuminen päästöhaurausvaaran vuoksi olisi päästön jälkeen edullista jäähdyttää valu nopeasti, mutta se ei yleensä ole mahdollista raskaisiin ja muodoltaan monimutkaisiin kappaleisiin syntyvien jännitysten ja vetelyiden vuoksi. 25 Valujen lämpökäsittely

26 Edellä mainittujen vaikeuksien eliminoimiseksi käytetään seuraavia keinoja: käytetään teräksiä, jotka eivät ole päästöhauraita tuetaan vetelyille ja repeilylle arat alueet myöhemmin poistettavilla tuilla karkeakoneistetaan valukappale ennen nuorrutusta Homogenisointi ja liuotushehkutus Kun teräs jähmettyy hitaasti rakenteeksi, muodostuu siihen karkea dendriittinen valurakenne, jossa esiintyy seosaineiden suhteen merkittäviä suotautumia - dendriitin kemiallinen koostumus on aivan toinen kuin haarojen välialueen. Nämä mikrosuotautumat periytyvät lopulliseen tuotteeseen aiheuttaen epähomogeenisen rakenteen, jonka mekaaniset ominaisuudet ovat huonot ja käsittelyjen aikainen repeilyvaara suuri. Muokatuissa tuotteissa tämä epähomogeenisuus poistuu suurimmaksi osaksi kuumamuokkauksessa, mutta valettuja kappaleita joudutaan hehkuttamaan hyvin korkeissa lämpötiloissa noin C pitkin pitoajoin rakenteen kemiallisten ja rakenteellisten epähomogeenisuuksien tasaamiseksi. Tasautuminen tapahtuu diffuusion avulla, joten pitoajat saattavat venyä kymmeniin tunteihin sitä pitemmät pitoajat mitä raskaammat valut ja siten voimakkaammat suotaumat ovat kyseessä. Toinen hankaluus valussa on hitaan jähmettymisen aikana rikastuvat, matalalla sulavista yhdisteistä muodostuvat elementit, kuten esimerkiksi alumiininitridi, joka muodostaa raerajoille hauraita kalvoja ja näin huonontaa rakenteen mekaanisia arvoja. Edellinen ilmiö voidaan poistaa liuotushehkutuksella, joka on pitkäaikainen hehkutus C. Hehkutuksessa nitridi hajoaa ja typpi diffundoituu kiteeseen. Jäähdytys suoritetaan mahdollisimman nopeasti, mutta on muistettava, että teräs on käsittelyn jälkeen hyvin karkearakeinen ja repeämäaltis suurten lämpötilaerojännitysten vaikuttaessa. 26 Valujen lämpökäsittely