Valurauta ja valuteräs

Transkriptio

1 Valurauta ja valuteräs Seija Meskanen Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök Tampereen teknillinen yliopisto Valurauta ja valuteräs ovat raudan (Fe), hiilen (C), piin (Si) ja mangaanin (Mn) sekä muiden seosaineiden ja epäpuhtausaineiden muodostamia metalliseoksia. Valuraudoissa on hiiltä yli 2 %. Jos hiiltä on vähemmän kuin 2 %, puhutaan valuraudan sijaan teräksestä. Valuraudoissa käytetään seosaineina edellä lueteltujen lisäksi yleisimmin kromia (Cr), molybdeenia (Mo) ja nikkeliä (Ni). Yleisimmät epäpuhtausaineet sekä valuraudoissa että valuteräksissä ovat rikki (S) ja fosfori (P). Yli 2 % hiilimäärä on enemmän, mitä rauta pystyy missään olosuhteissa liuottamaan. Ylimääräinen hiili voi erkautua eri tavoin muotoutuneiksi grafiittikiteiksi raudan ja muiden seosaineiden muodostamaan mikrorakenteeseen, jota kutsutaan matriisiksi. Se voi myös sulautua matriisiin rautakarbidina eli sementiittinä Fe3C. Karbideita muodostuu raudan lisäksi myös seosaineiden kanssa. Karbidit kasvattavat seoksen lujuutta, mutta vähentävät usein sen sitkeyttä. Valuteräkset ryhmitellään hiilipitoisuuden mukaan siten, että niukkahiiliset teräkset sisältävät alle 0,25 % hiiltä, keskihiiliset 0,25 0,6 % ja runsashiiliset 0,6 2,0 %. Teräkset voidaan jakaa myös seosaineiden määrän perusteella seostamattomiin, niukkaseosteisiin ja runsaasti seostettuihin teräslajeihin. Seostamattomissa teräksissä on hiilen lisäksi vain vähäisiä määriä (alle 5 %) muita seosaineita. Runsaimmin seostetuissa teräksissä raudan osuus voi jäädä alle puoleen. Yleisimmät seosaineet ovat edellä lueteltujen hiilen (C), piin (Si) ja mangaanin (Mn) lisäksi kromi (Cr), molybdeeni (Mo), kupari (Cu) ja vanadiini (V). Raudan ja hiilen seoksen jäähtyessä sulatilasta huoneenlämpötilaan, tapahtuu tietyssä lämpötilassa eutektinen reaktio ja tätä jonkin verran matalammassa lämpötilassa eutektoidinen reaktio. Eutektinen reaktio tapahtuu sulan jähmettyessä siten, että siitä erkautuu kahta tai useampaa kiinteää ainesosaa eli faasia. Eutektoidinen reaktio tapahtuu aineen kiinteässä tilassa siten, että yksi tai useampi kiinteistä faaseista alkaa muodostaa toisen tyyppistä kiinteää faasia. Lämpötilat, joissa reaktiot tapahtuvat, riippuvat seoksen sisältämistä muista alkuaineista. Puhtaan raudan ja puhtaan hiilen muodostamassa järjestelmässä eutektinen reaktio tuottaa sulasta grafiittia (kiteytynyttä hiiltä) ja pintakeskisessä kuutiollisessa muodossa olevaa gammarautaa (γ-fe) eli austeniittia. Grafiittia muodostuu kuitenkin vain siinä tapauksessa, että järjestelmässä on enemmän hiiltä kuin mitä austeniittiin liukenee. Austeniitti liuottaa laskennallisesti 2,03 paino-% hiiltä eutektisessa 1153 C lämpötilassa, mutta enää 0,68 paino-% 738 C lämpötilassa, jolloin tapahtuu eutektoidinen reaktio 1. Eutektoidinen reaktio tuottaa austeniitista tilakeskisessä kuutiollisessa muodossa olevaa alfarautaa (α-fe) eli ferriittiä. Ferriitin lisäksi muodostuu lisää grafiittia, koska ferriitti liuottaa hiiltä huomattavasti vähemmän kuin austeniitti (Kuva 1). Ferriitti liuottaa laskennallisesti maksimissaan 0,02 % hiiltä eutektoidisen reaktion alkaessa. Huoneenlämpötilassa liukoisuus on olematon, laskennallisesti se on 6,45 x %. Hiili ei läheskään aina ennätä erkautua austeniitista grafiittimuodostelmiksi todellisissa valuolosuhteissa. Erkautuminen vaatisi huomattavasti pitemmän jäähtymisajan kuin mihin lämpöä eristävissä hiekkamuoteissakaan on mahdollisuus. Tästä syystä hiili muodostaa karbidirakenteita grafiitin sijasta tai grafiitin ohella. 1 Arvot on laskettu Thermo-Calc ohjelmistolla seoksella, jossa on 97 % rautaa ja 3 % hiiltä. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 1

2 Karbidien muodostuminen joko perliittisenä, martensiittisena tai bainiittisena rakenteena on monissa teräksissä ja valuraudoissa toivottu reaktio, jota edistetään seosaineilla sekä kasvattamalla jäähtymisnopeutta. Lämpökäsittelyillä on mahdollista saavuttaa kontrolloidut jäähtymisolosuhteet, joilla ohjataan valuraudan tai teräksen matriisi haluttuun rakenteeseen. Seosaineita, jotka edistävät karbidien muodostumista sekä eutektisen että eutektoidisen reaktion aikana, ovat kromi (Cr), molybdeeni (Mo), volframi (W) ja vanadiini (V). Seosaineita, jotka edistävät grafiitin muodostumista näissä molemmissa reaktioissa, ovat puolestaan pii (Si) ja alumiini (Al). Seosaineita, jotka edistävät grafiitin muodostumista eutektisen reaktion aikana ja karbidien muodostumista eutektoidisen reaktion aikana, ovat nikkeli (Ni), kupari (Cu) ja tina (Sn). 2 Jäljempänä olevassa kuvassa (Kuva 2) esitetään puhtaan raudan ja puhtaan hiilen tasapainopiirros. Piirroksesta käy ilmi raudan ja hiilen muodostama faasirakenne tasapainotilanteessa hiilipitoisuuden ja lämpötilan funktiona. Tekstin lopussa esitetään lisää tasapainopiirroksia. Liitteenä ovat kuvat puhtaan raudan, puhtaan hiilen ja puhtaan kromin tasapainopiirroksesta (Kuva 6), puhtaan raudan, puhtaan hiilen ja puhtaan nikkelin tasapainopiirroksesta (Kuva 7) sekä puhtaan raudan, puhtaan hiilen ja puhtaan mangaanin tasapainopiirroksesta (Kuva 8). Kaikki piirrokset on laadittu siten, että x-akselilla esitetään hiilipitoisuus välillä 0 10 % ja y-akselilla lämpötila välillä C. Kromin pitoisuus on joko tasan 2 % tai 10 %, nikkelin ja mangaanin pitoisuudet ovat joko tasan 1 % tai 10 %. Näiden lisäksi kuvissa esitetään kaaviot faasien moolijakaumista lämpötilan funktiona. Hiilen pitoisuudeksi on kaikissa kaavioissa asetettu 3,0 %. Tasapainopiirrokset ja kaaviot ovat laskennallisia ja ne on laadittu Thermo-Calc ohjelmistolla. Kuva 1. Puhtaan raudan ja puhtaan hiilen reaktiot tasapainotilanteessa, kun hiiltä on seostettu rautaan yli 2 %. Sulatilassa esiintyy rautaa ja hiiltä. Eutektisen reaktion aikana rauta kiteytyy austeniittina, joka liuottaa maksimissaan 2 % hiiltä 1153 C lämpötilassa. Loppu hiilestä kiteytyy grafiitiksi. Eutektoidisen reaktion aikana austeniitti muuttaa olomuotoaan ferriitiksi, joka liuottaa maksimissaan enää 0,02 % hiiltä 738 C lämpötilassa. Mikäli jäähtymisnopeus on riittävän hidas, ylimääräinen hiili erkautuu ja muodostaa lisää grafiittia. Jos jäähtymisnopeutta kasvatetaan, hiili muodostaa karbidirakenteen ferriitin kanssa. 2 ASM Handbook, Volume 1, Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys, ASM International, USA, Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 2

3 Kuva 2. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-hiili tasapainopiirros. Hiilen pitoisuus esitetään x- akselilla ja se vaihtelee välillä 0 10 %. Lämpötila esitetään y-akselilla ja se vaihtelee välillä C. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Eutektinen lämpötila on laskennallisesti 1153 C. Eutektoidinen lämpötila, jossa austeniitti muuttuu ferriitiksi, on laskennallisesti 738 C. Mikäli lämpötila laskee riittävän hitaasti, hiili erkautuu eutektoidisen lämpötilan alapuolella grafiittina eikä muodosta rautakarbidia. Kuva 3. Puhtaan hiilen ja puhtaan raudan seoksen faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona. Seoksessa on 97 % rautaa ja 3 % hiiltä. Faasiosuudet on laskettu Thermo-Calc ohjelmistolla. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 3

4 Valuraudat Valurautojen ominaisuudet riippuvat yhteisesti grafiitin erkautumisen asteesta, erkautuneen grafiitin muodosta ja matriisin rakenteesta. Ellei sulatuksen yhteydessä tehdä mitään erityisiä toimenpiteitä, erkautuva grafiitti muodostaa suomumaisia rakenteita. Käsittelyjen avulla grafiitti voidaan saada muodostumaan pallomaisina rakenteina tai epätäydellisen pallomaisina rakenteina eli tylppägrafiittina. Grafiitin pallomaiset muodot valmistetaan sulatuksen jälkeen tapahtuvalla palloutuskäsittelyllä. Joissain valuraudoissa grafiitti esiintyy liuskamaisina pyöreinä muodostelmina eli temperhiilenä. Tällaiset rakenteet valmistetaan lämpökäsittelemällä valmis valu. Raudan ja hiilen matriisi voidaan valmistaa ferriittiseksi, perliittiseksi, ferriittis-perliittiseksi, austeniittiseksi, austeniittis-ferriittiseksi tai martensiittiseksi riippuen valuraudalle halutuista ominaisuuksista. Matriisin rakenteeseen vaikutetaan valitsemalla seostukseen joko karbidinmuodostusta edistäviä tai ehkäiseviä seosaineita sopivassa suhteessa. Osa matriisirakenteista valmistuu seosaineiden vaikutuksesta suoraan valussa. Osa rakenteista vaatii lämpökäsittelyn joko välttämättömänä vaiheena tai vaiheena, jolla valussa muodostuneen mikrorakenteen ominaisuuksia parannellaan. Pääainesosien lisäksi valuraudoissa on aina epäpuhtausaineina fosforia (P) ja rikkiä (S). Näiden pitoisuus vaihtelee raaka-aineina käytetyn rautaharkon ja valurautaromun laadun mukaisesti. Rikki vaikuttaa erityisen haitallisesti, koska sillä on taipumus muodostaa raudan kanssa yhdiste FeS, joka siirtyy jähmettymisen yhteydessä matriisin raerajoille heikentämään rakennetta. Haitta on mahdollista ehkäistä lisäämällä valurautaan mangaania, joka muodostaa matriisin rakeiden sisälle jakautuvan yhdisteen MnS. MnS muodostuu helpommin kuin FeS. Mangaania tarvitaan seosaineena myös matriisin rakenteen muokkaamiseen siten, että ferriittiselle matriisille valitaan matala mangaanipitoisuus, alkaen 0,1 % pitoisuudesta, ja perliittiselle matriisille korkea, päättyen 1,2 % pitoisuuteen. Mangaani edistää perliitin muodostumista. Koska osa mangaanista kuluu rikin kanssa muodostuvaan yhdisteeseen, mangaanipitoisuus valitaan esimerkiksi seuraavan kaavan perusteella: % Mn =1.7(% S) Piin ja hiilen määrät valitaan grafiitin muodon, halutun matriisin sekä kappaleen koon ja muodon perusteella. Tyypilliset arvot eri grafiittimuodoille on esitetty seuraavassa taulukossa (Taulukko 1). Hiilen ja piin määrien yhteisvaikutus huomioidaan usein hiiliekvivalentin (CE) muodossa, joka voidaan laskea esimerkiksi seuraavan kaavan perusteella. CE = % C + 0.3(% Si) (% P) (% Mn) + 0.4(% S) 2 3 ASM Handbook, Volume 1, Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys, ASM International, USA, Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 4

5 Taulukko 1. Tyypillinen hiilen (C), piin (Si), mangaanin (Mn), fosforin (P) ja rikin (S) pitoisuus eri grafiittimuotoja edustaville valuraudoille 2. Grafiittirakenne Analyysi, % C Si Mn P S Suomugrafiitti 2,5 4,0 1,0 3,0 0,2 1,0 0,002 1,0 0,02 0,25 Tylppägrafiitti 2,5 4,0 1,0 3,0 0,2 1,0 0,01 0,1 0,01 0,03 Pallografiitti 3,0 4,0 1,8 2,8 0,1 1,0 0,01 0,1 0,01 0,03 Grafiititon 1,8 3,6 0,5 1,9 0,25 0,8 0,06 0,2 0,06 0,2 Temperhiili 2,2 2,9 0,9 1,9 0,15 1,2 0,02 0,2 0,02 0,2 Valuraudat voidaan jakaa ryhmiin eri tavoin. Alla on lueteltu jako 1) seostuksen, 2) grafiitin muodon sekä 3) grafiitin muodon ja matriisin rakenteen perusteella. Viimeisenä mainittu jaottelu on yksityiskohtaisin ja myös selkein. Jos valuraudasta nimetään sekä grafiitin muoto että matriisin rakenne, sen ominaisuudet käyvät ilmi paljon suuremmalla tarkkuudella kuin nimettäessä rauta pelkästään pallo- tai suomugrafiittivaluraudaksi. 1. Seosaineiden perusteella seostamattomiin valurautoihin (SFS-EN 1561, SFS-EN 1562, SFS-EN 1563, SFS-EN 1564, SFS-EN 16079) 4 niukkaseosteisiin valurautoihin (SFS-EN 12513, SFS-EN 16124) 5 runsaasti seostettuihin valurautoihin (SFS-EN 12513, SFS-EN 13835) 6 2. Grafiitin muodon perusteella suomugrafiittivalurautoihin (SFS-EN 1561, SFS-EN 13835) tylppägrafiittivalurautoihin (SFS-EN 16079) adusoituihin eli tempervalurautoihin (SFS-EN 1562) pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563, SFS-EN 1564, SFS-EN 13835, SFS-EN 16124) valkoisiin eli grafiitittomiin valurautoihin (SFS-EN 12513) 3. Grafiitin ja matriisin muodon perusteella Suomugrafiittivalurauta jaetaan (tavanomaisiin) suomugrafiittivalurautoihin, joiden matriisi on perliittinen tai perliittisferriittinen (SFS-EN 1561) kaikki lajit, perliitin ja ferriitin osuudet riippuvat esimerkiksi valun jäähtymisnopeudesta austeniittisiin suomugrafiittivalurautoihin (SFS-EN 13835) EN-GJLA-XNiCuCr EN-GJLA-XNiMn SFS-EN Valut. Suomugrafiittivalurauta. SFS-EN Valut. Adusoidut valuraudat. SFS-EN Valut. Pallografiittivalurauta. SFS-EN Valut. Austemperoitu pallografiittivalurauta. SFS-EN Valut. Tylppägrafiittivaluraudat. 5 SFS-EN Valut. Kulumiskestävät valuraudat. SFS-EN Valut. Niukkaseosteiset kuumalujat ferriittiset pallografiittivaluraudat. 6 SFS-EN Valut. Kulumiskestävät valuraudat. SFS-EN 13835:en - Founding. Austenitic cast irons. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 5

6 Pallografiittivalurauta jaetaan ferriittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563, SFS-EN 16124) EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS-SiMo25-5 EN-GJS-SiMo30-7 EN-GJS-SiMo35-5 EN-GJS-SiMo40-6 EN-GJS-SiMo40-10 EN-GJS-SiMo45-6 EN-GJS-SiMo45-10 EN-GJS-SiMo50-6 EN-GJS-SiMo50-10 ferriittis-perliittisiin (ja perliittis-ferriittisiin) pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563) EN-GJS EN-GJS EN-GJS perliittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563) EN-GJS EN-GJS EN-GJS martensiittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563) EN-GJS EN-GJS bainiittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563) EN-GJS austeniittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 13835) EN-GJSA-XNi22 EN-GJSA-XNi35 EN-GJSA-XNiCr20-2 EN-GJSA-XNiCr30-3 EN-GJSA-XNiCr35-3 EN-GJSA-XNiCrNb20-2 EN-GJSA-XNiSiCr EN-GJSA-XNiSiCr EN-GJSA-XNiMn13-7 EN-GJSA-XNiMn Matriisi on pääosin ferriittinen 8 Suurikokoiset valut, muuten martensiittinen tai bainiittinen. 9 Martensiittinen matriisi valmistetaan lämpökäsittelyn avulla 10 Bainiittinen matriisi valmistetaan lämpökäsittelyn avulla Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 6

7 austeniittis-ferriittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1564) EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS EN-GJS Tylppägrafiittivalurauta jaetaan (pääosin) ferriittisiin tylppägrafiittivalurautoihin (SFS-EN 16079) EN-GJV-300 ferriittis-perliittisiin tylppägrafiittivalurautoihin (SFS-EN 16079) EN-GJV-350 EN-GJV-400 perliittisiin tai pääosin perliittisiin tylppägrafiittivalurautoihin (SFS-EN 16079) EN-GJV-450 EN-GJV-500 Adusoitu valurauta jaetaan hiiltä sitovassa atmosfäärissä lämpökäsittelemällä valmistettuihin valkoydintemperrautoihin, joiden matriisin rakenne riippuu tarkastelukohdan sijainnista valuraudan seinämän sisällä (SFS-EN 1562) EN-GJMW EN-GJMW EN-GJMW EN-GJMW EN-GJMW normaalissa, mutta kontrolloidussa atmosfäärissä lämpökäsittelemällä valmistettuihin mustaydintemperrautoihin, joiden matriisi voi lämpökäsittelystä riippuen olla esimerkiksi ferriittinen tai perliittinen (SFS-EN 1562) EN-GJMB EN-GJMB EN-GJMB EN-GJMB EN-GJMB EN-GJMB Valkoinen valurauta jaetaan perliittisiin valkoisiin valurautoihin kulumiskestävissä, seostamattomissa ja niukasti seostetuissa valurautalajeissa (SFS-EN 12513) EN-GJN-HB340 EN-GJN-HB400 martensiittisiin valkoisiin valurautoihin kulumiskestävissä, nikkelillä ja kromilla seostetuissa valurautalajeissa (SFS-EN 12513) EN-GJN-HB480 EN-GJN-HB500 EN-GJN-HB510 EN-GJN-HB555 EN-GJN-HB630 Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 7

8 austeniittisiin valkoisiin valurautoihin runsaasti kromilla seostetuissa valurautalajeissa (SFS-EN 12513) EN-GJN-HB555(XCr11) EN-GJN-HB555(XCr14) EN-GJN-HB555(XCr18) EN-GJN-HB555(XCr23) Valurautastandardeissa on määrätty koostumus vain seostetuille valuraudoille. Muiden valurautojen laji määräytyy grafiitin muodon, matriisin rakenteen sekä lujuus- tai kovuusluokan perusteella ja yleensä valimo saa päättää koostumuksen. Mekaanisten ominaisuuksien rajat on ilmoitettu valurautastandardeissa. Suomugrafiittivalurauta SFS-EN Suomumaisia grafiittikiteitä kokonaan tai osin perliittisessä matriisissa. Loput matriisista on rakenteeltaan ferriittiä. Grafiitin muodon ansiosta suomugrafiittivaluraudalla on hyvä värähdystenvaimennuskyky, mutta muihin valurautoihin verrattuna huonot lujuusominaisuudet. Kimmokerroin on pieni. Suomugrafiittivaluraudalla on kuivanakin hyvät liukuominaisuudet ja grafiitti edistää voiteluaineen toimintaa liukupinnoissa. Seostamaton valurauta turpoaa korkeissa lämpötiloissa. Kuva 4. Vasemmalla: Mikroskooppikuva suomugrafiittivaluraudan mikrorakenteesta. Suomaisia grafiittikiteitä pääosin perliittisessä matriisissa. Oikealla: Mikroskooppikuva perliitin rakenteesta. 100 x suurennos. Suomugrafiittivalurauta voidaan valmistaa erilaisilla hiilen ja piin seosmäärillä valun koosta ja käyttökohteesta riippuen. Seossuhteella pyritään vaikuttamaan kiteytymiseen siten, että valuun saadaan toivottu mikrorakenne suhteessa suurikokoisen ja paksuseinämäisen valun pieneen jähmettymisnopeuteen tai pienikokoisen ja ohutseinämäisen valun suureen jähmettymisnopeuteen. Jos samassa valussa esiintyy sekä ohuita että paksuja seinämiä, siitä on hankala saada tasalaatuinen. Austeniittiset suomugrafiittivalurautalajit standardissa SFS-EN 13835:en 12 Matriisin rakenne muutetaan nikkelin (Ni), mangaanin (Mn) ja kuparin (Cu) avulla austeniittiseksi, jolloin suomugrafiitille tyypilliset mekaaniset ominaisuudet parantuvat. Austeniittisia suomugrafiittivalurautalajeja käytetään korroosionkestävyyttä vaativissa olosuhteissa. Austeniittiset lajit 11 SFS-EN Valut. Suomugrafiittivalurauta. 12 SFS-EN 13835:en - Founding. Austenitic cast irons. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 8

9 kestävät korkeita lämpötiloja eivätkä ne ole magneettisia mikäli kromipitoisuutta ei kasvateta liikaa. Nikkeliä seostetaan runsaasti, yli 12 % (Taulukko 2). Taulukko 2. Standardin SFS-EN sisältämien suomugrafiittivalurautalajien analyysi. Materiaali Analyysi, % C Si Mn Ni Cr P Cu EN-GJLA-XNiCuCr max. 3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 13,5-17,5 1,0-3,5 max. 0,25 5,5-7,5 EN-GJLA-XNiMn13-7 max. 3,0 1,5-3,0 6,0-7,0 12,0-14,0 max. 0,2 max. 0,25 max. 0,5 Kuva x suurennos austeniittisesta matriisista teräksessä. Austeniitti on eräs puhtaan raudan olomuodoista. Rauta esiintyy siinä pintakeskisessä kuutiollisessa muodossa. Pallografiittivalurauta SFS-EN Pallomaisia grafiittikiteitä tavallisesti ferriittisessä, ferriittis-perliittisessä, perliittis-ferriittisessä tai perliittisessä matriisissa. Joidenkin lajien matriisi voi olla myös martensiittinen tai bainiittinen. Grafiitin muoto saadaan aikaan palloutusaineilla. Ferriittinen matriisi pienentää lujuutta, mutta kasvattaa sitkeyttä. Perliitin määrän lisääntyessä matriisin lujuus kasvaa. Martensiittinen matriisi tuottaa lujan rakenteen, jonka venymä on pieni. Pallografiittivalurauta ei turpoa kuten suomugrafiittivalurauta. Se on yleismateriaali, jolla on hyvät mekaaniset ominaisuudet ja laajat sovellusmahdollisuudet. Seostamalla saadaan valmistettua korroosionkestäviä, kuumalujia, sitkeitä ja painetiiviitä rakenteita. Lämpökäsittely parantaa lujuutta. Austeniittiset pallografiittivalurautalajit standardissa SFS-EN 13835:en 14 Pallomaisia grafiittikiteitä austeniittisessa matriisissa. Austeniittinen matriisi tuotetaan seostamalla rautaan nikkeliä (Ni), mangaania (Mn) ja kuparia (Cu). Austeniittisissa pallografiittivaluraudoissa on korroosionkestäviä, kuumalujia, painelaitteisiin sopivia ja kylmäsitkeitä lajeja sekä lajeja, joiden lämpöpiteneminen on hyvin vähäistä. Standardin SFS-EN sisältämät lajit on lueteltu jäljempänä taulukossa (Taulukko 3). 13 SFS-EN Valut. Pallografiittivalurauta. 14 SFS-EN 13835:en - Founding. Austenitic cast irons. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 9

10 Kuva 6. Vasemmalla: Martensiittia 50 x suurennoksena. Martensiitti on hiilen, raudan ja muiden seosaineiden muodostama rakenne, jossa hiili on sitoutunut kokonaan tai lähes kokonaan karbideiksi. Karbidien koostumus riippuu seosaineista. Ne voivat olla esimerkiksi rautakarbideja Fe3C tai raudan ja kromin karbideja (Cr,Fe)7C3. Oikealla: Bainiittia 50 x suurennoksena. Bainiitti on hiilen, raudan ja muiden seosaineiden muodostama rakenne, jossa on vuorottelevia ferriitti- ja sementiittialueita neulasmaisina muodostelmina. Bainiittia on kahta tyyppiä ylä- ja alabainiittia. Taulukko 3. Standardin SFS-EN sisältämien pallografiittivalurautalajien analyysi ja kuvaus ominaisuuksista. Analyysi, % Materiaali Ominaisuudet C Si Mn Ni Cr P Cu EN-GJSA-XNiCr20-2 max. 3,0 1,5-3,0 0,5-1,5 18,0-22,0 1,0-3,5 max. 0,08 max. 0,50 Hyvät perusominaisuudet eli hyvä korroosion ja korkeiden lämpötilojen kesto. EN-GJSA-XNiMn23-4 max. 2,6 1,5-2,5 4,0-4,5 22,0-24,0 max. 0,2 max. 0,08 max. 0,50 Erittäin sitkeä. Sitkeys säilyy -196 C lämpötilaan saakka. EN-GJSA-XNiCrNb20-2 max. 3,0 1,5-2,4 0,5-1,5 18,0-22,0 1,0-3,5 max. 0,08 max. 0,50 EN-GJSA-XNi22 max. 3,0 1,0-3,0 1,5-2,5 21,0-24,0 max. 0,5 max. 0,08 max. 0,50 EN-GJSA-XNi35 max. 2,4 1,5-3,0 0,5-1,5 34,0-36,0 max. 0,2 max. 0,08 max. 0,50 EN-GJSA-XNiSiCr max. 2,0 4,0-6,0 0,5-1,5 34,0-36,0 1,5-2,5 max. 0,08 max. 0,50 Hyvät perusominaisuudet eli hyvä korroosion ja korkeiden lämpötilojen kesto. Hyvin hitsattavaa. Välttävät perusominaisuudet. Hyvä sitkeys, joka säilyy -100 C lämpötilaan saakka. Kaikista valuraudoista pienin lämpöpitenemiskerroin. Hyvä kestävyys lämpöshokeille. Kestää erittäin hyvin korkeita lämpötiloja. Sitkeä ja virumisenkestävä materiaali. EN-GJSA-XNiMn13-7 max. 3,0 2,0-3,0 6,0-7,0 12,0-14,0 max. 0,2 max. 0,08 max. 0,5 Perusmateriaali. EN-GJSA-XNiCr30-3 max. 2,6 1,5-3,0 0,5-1,5 28,0-32,0 2,5-3,5 max. 0,08 max. 0,5 EN-GJSA-XNiSiCr max. 2,6 5,0-6,0 0,5-1,5 28,0-32,0 4,5-5,5 max. 0,08 max. 0,5 EN-GJSA-XNiCr35-3 max. 2,4 1,5-3,0 0,5-1,5 34,0-36,0 2,0-3,0 max. 0,08 max. 0,5 Hieman paremmat perusominaisuudet. Matalahko lämpöpitenemiskerroin. Lämpötilankesto paranee Moseostuksella. Kestää erittäin hyvin korroosiota ja korkeita lämpötiloja. Matalahko lämpöpitenemiskerroin. Vastaavat ominaisuudet kuin EN-GJSA- XNi35, mutta korkeiden lämpötilojen kesto on parannettavissa Moseostuksella. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 10

11 Kuumalujat ferriittiset pallografiittivalurautalajit standardissa SFS-EN Standardi sisältää runsaalla piillä ja molybdeenilla seostettuja kuumalujia pallografiittivalurautalajeja. Matriisin tulee olla yli 85 % osuudella ferriittinen ja karbideja saa olla maksimissaan 5 %. Piiseostus nostaa yli 100 celsiusasteella lämpötilarajaa, jossa ferriitti muuttuu austeniitiksi. Kun piitä seostetaan tavanomaiseen pallografiittivaluraudan koostumukseen 4 %, ferriitti muuttuu austeniitiksi noin 815 C lämpötilassa. Kun seostus on 5 %, lämpötilaraja on jo noin 870 C. Molybdeeniseostuksen vaikutuksesta muodostuu rakennetta lujittavia karbideja, jotka pysyvät stabiileina korkeissakin lämpötiloissa. Austemperoitu pallografiittivalurauta SFS-EN Pallomaisia grafiittikiteitä austeniittis-ferriittisessä matriisissa. Matriisi tuotetaan lämpökäsittelemällä. Materiaalilla on erittäin hyvät, jopa teräksen veroiset mekaaniset ominaisuudet. Lujimman lajin murtolujuus on parhaimmillaan luokkaa 1400 MPa. Tylppägrafiittivalurauta SFS-EN Grafiittirakenne on kontrolloidusti epätäydellisesti palloutunutta grafiittia. Tylppägrafiittivaluraudalla on paremmat mekaaniset ominaisuudet kuin suomugrafiittivaluraudalla. Kestää hyvin lämpöshokkeja. Valkoinen eli grafiititon valurauta SFS-EN Valkoinen valurauta on valurautalaji, jossa hiili on sitoutunut kokonaan karbideiksi. Grafiittia ei esiinny ollenkaan. Kovaa ja haurasta, mutta kestää hyvin kulutusta. Adusoitu valurauta valmistetaan valkoisesta valuraudasta lämpökäsittelemällä. Standardi SFS-EN sisältää seostamattomia, nikkelillä ja kromilla seostettuja ja Kulumiskestävät valuraudat ovat kromilla (Cr) ja nikkelillä (Ni) tai runsaasti kromilla seostettuja valkoisia valurautoja. Taulukko 4. Standardin SFS-EN sisältämien, nikkelillä ja kromilla seostettujen kulumiskestävien valurautojen analyysi. Materiaali Analyysi, % C Si Mn P max. S max. Ni Cr EN-GJN-HB480 2,5-3,0 max. 0,8 max. 0,8 0,1 0,1 3,0-5,5 1,5-3,0 EN-GJN-HB500 2,4-2,8 1,5-2,2 0,2-0,8 0,06 0,06 4,0-5,5 8,0-10,0 EN-GJN-HB510 3,0-3,6 max. 0,8 max. 0,8 0,1 0,1 3,0-5,5 1,5-3,0 EN-GJN-HB555 2,5-3,5 1,5-2,5 0,3-0,8 0,08 0,08 4,5-6,5 8,0-10,0 EN-GJN-HB630 3,2-3,6 1,5-2,2 0,2-0,8 0,06 0,06 4,0-5,5 8,0-10,0 15 SFS-EN Valut. Niukkaseosteiset kuumalujat ferriittiset pallografiittivaluraudat. 16 SFS-EN Valut. Austemperoitu pallografiittivalurauta. 17 SFS-EN Valut. Tylppägrafiittivaluraudat. 18 SFS-EN Valut. Kulumiskestävät valuraudat. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 11

12 Taulukko 5. Standardin SFS-EN sisältämien, runsaasti kromilla seostettujen kulumiskestävien valurautojen analyysi. Materiaali Analyysi, % C Si max. Mn P max. S max. Cr Ni max. Mo max. Cu max. EN-GJN-HB555(XCr11) 1,8-3,6 1 0,5-1,5 0,08 0,08 11,0-14, ,2 EN-GJN-HB555(XCr14) 1,8-3,6 1 0,5-1,5 0,08 0,08 14,0-18, ,2 EN-GJN-HB555(XCr18) 1,8-3,6 1 0,5-1,5 0,08 0,08 18,0-23, ,2 EN-GJN-HB555(XCr23) 1,8-3,6 1 0,5-1,5 0,08 0,08 23,0-30, ,2 Adusoitu valurauta SFS-EN Temperrauta. Valmistetaan valkoisesta valuraudasta lämpökäsittelemällä. Lämpökäsittely saa karbideiksi kiteytyneen hiilen muodostamaan liuskamaisia, pyöreitä grafiitti muodostelmia, joita kutsutaan temperhiileksi. Adusoitua valurautaa on kahta tyyppiä: mustaydinrautaa ja valkoydinrautaa. Vastaa ominaisuuksiltaan pallografiittivalurautaa. Valkoydinrauta valmistetaan lämpökäsittelemällä valkoinen valurauta hiiltä sitovassa atmosfäärissä. Materiaalin pintakerroksesta muodostuu sitkeä ja vähähiilinen. Pintakerros on pääosin ferriittiä. Sisäosat ovat pääosin perliittiä ja niissä on runsaasti grafiittia temperhiilen muodossa. Näiden välillä on kerros, jonka rakenne ferriittiä, perliittiä ja temperhiiltä. Mustaydinrauta valmistetaan lämpökäsittelemällä valkoinen valurauta tavanomaisessa atmosfäärissä siten, että muodostuu temperhiiltä joko ferriittisessä tai perliittisessä matriisissa. Kuva 7. Vasemmalla: Adusoitu valkoydinrauta 100 x suurennoksena. Valkoydinraudan matriisin koostumus vaihtelee siten, että materiaalin pintakerros on vähähiilinen koostuen pääosin ferriitistä. Sisäosissa on liuskamaisiksi pyöreiksi muodostelmiksi kiteytynyttä grafiittia ferriittis-perliittisessä tai lähes kokonaan perliittisessä matriisissa. Kuvassa olevat vaaleat alueet ovat ferriittiä ja tummat perliittiä. Kuva: Eisenbeisser, GFDL 1.2, Oikealla: Adusoidusta mustaydinraudasta valmistettu valukappale. Tekijä: Andreas Mühlhausen (Oma teos) CC BY-SA 2.5], lähde: Wikimedia Commons 19 SFS-EN Valut. Adusoidut valuraudat. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 12

13 Valuteräkset Hiilipitoisuus vaikuttaa teräksen mikrorakenteeseen yhdessä seosaineiden ja lämpökäsittelyjen kanssa. Hitaasti jäähtyneissä niukkaseosteisissa, niukka- tai keskihiilisissä teräksissä hiili esiintyy puhtaina perliittimuodostelmina ferriittikiteiden sisällä. Runsashiilisissä teräksissä alkaa perliittikiteiden raerajoille erkautua sementiittikiteitä. Niukkaseosteisilla teräksillä ei tasapainotilanteessa (hidas jäähtyminen) esiinny austeniittia (Kuva 5), mutta runsas nikkeliseostus stabiloi austeniittisen mikrorakenteen myös huoneenlämpötilassa. Kuva 8. Ferriittis-perliittinen rakenne teräksessä. Mikroskooppikuvat 50 x suurennoksina. Tummat alueet ovat perliittiä ja vaaleat ferriittiä. Ferriitti on eräs puhtaan raudan olomuodoista. Se liuottaa maksimissaan vain noin 0,02 paino- % hiiltä noin 730 C lämpötilassa. Huoneenlämpötilassa hiilen liukoisuus on olematon. Perliitti on raudan ja hiilen muodostama mikrorakenne, joka sisältää vuorotteleviksi lamelleiksi kiteytynyttä ferriittiä ja raudan ja hiilen yhdistettä, rautakarbidia eli sementiittiä (Fe3C). Nopealla jäähtymisellä ja sopivalla seostuksella on mahdollista valmistaa martensiittinen tai bainiittinen mikrorakenne (Kuva 6). Molemmat ovat tavallista ferriittis-perliittistä mikrorakennetta kovempia ja lujempia. Tavallisimmin valettavat teräkset ovat yleiset rakenne- ja nuorrutusteräksiä. Seosaineet ja lämpökäsittelyt vaikuttavat voimakkaasti kappaleiden työstettävyyteen. Teräksiin voidaan muodostaa seosaineilla runsas kirjo erilaisia ominaisuuksia. Valuteräkset jaotellaan käyttötarkoitusten ja näiden ominaisuuksien mukaan seuraavasti: Painelaiteteräkset standardissa SFS-EN Esimerkiksi kylmäsitkeitä tai kuumalujia teräslajeja. Kylmäsitkeät valuteräkset ovat yleensä niukkatai erittäin niukkahiilisiä sekä niukka- tai runsasseosteisia. Pääasiallinen seosaine on mangaani. Iskusitkeys varmennetaan alennetuissa lämpötiloissa. Kuumalujat valuteräkset ovat niukkahiilisiä ja niukka- tai runsasseosteisia. Niukkaseosteisissa lajeissa käytetään seosaineina kromia, mangaania, vanadiinia ja molybdeenia. Virumisominaisuudet on varmennettava kuumavetokokeella. 20 SFS-EN Painelaiteteräkset. Valuteräkset. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 13

14 Korroosionkestävät valuteräkset standardissa SFS-EN Korroosionkestävät valuteräkset ovat aina runsasseosteisia. Kromipitoisuus on yli 11,5 %. Usein myös runsas nikkeliseostus sekä molybdeenia lisäämässä pelkistävien olosuhteiden kestoa. Valetut yleiset rakenneteräkset standardissa SFS-EN Yleensä niukkahiilisiä ja niukkaseosteisia. Yleisimmät seosaineet ovat mangaani, kromi, molybdeeni ja nikkeli. Käytetään edullisimpana ratkaisuna silloin, kun käyttöympäristö ei aiheuta suuria mekaanisia tai kemiallisia rasituksia, runsaimmin seostettuja voidaan käyttää myös lievästi korrodoivissa olosuhteissa. Tulenkestävät valuteräkset standardissa SFS-EN Ovat aina runsasseosteisia. Suuret kromi- ja nikkelipitoisuudet ja pii max. 2,5 %. Hyvät hapettumiskesto ja virumislujuus korotetuissa lämpötiloissa, mahdolliset käyttölämpötilat jopa 1200 C. Kulumiskestävät austeniittiset mangaanivaluteräkset standardissa SFS-EN Pääasiallinen seosaine on mangaani. Pitoisuus vaihtelee välillä 6 19 %, tavanomaisin määrä on %. Muina seosaineina käytetään molybdeenia, nikkeliä ja kromia. Muut luokat Lujien hitsattavien valuterästen epäpuhtauspitoisuudet ovat paljon ns. jaloterästen raja-arvoja pienempiä. Nuorrutettavat valuteräkset ovat yleensä keskihiilisiä ja niukkaseosteisia. Nuorrutus on kuitenkin yleinen lämpökäsittely kaikissa teräsryhmissä. 21 SFS-EN Korroosionkestävät valuteräkset. 22 SFS-EN Yleiset valuteräkset. 23 SFS-EN Tulenkestävät valuteräkset. 24 SFS-EN Valuteräkset. Austeniittiset mangaanivaluteräkset. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 14

15 Liite: Tasapainopiirrokset ja moolijakaumat Kuva 9. Fe-95%, C-3%, Cr-2%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-kromi-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-95%, C-3%, Cr-2%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirroksen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, CEMENTITE = rautakarbidi Fe3C, M7C3 = kromin ja raudan karbidi (Cr,Fe)7C3, M3C2 = kromikarbidi Cr3C2, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Kromi saa raudan muodostamaan hiilen kanssa sementiittiä korkeissa lämpötiloissa. Matalammissa lämpötiloissa esiintyy kromin ja raudan karbideja. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 15

16 Kuva 10. Fe-87%, C-3%, Cr-10%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-kromi-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-95%, C-3%, Cr-10%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirroksen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, CEMENTITE = rautakarbidi Fe3C, M7C3 = kromin ja raudan karbidi (Cr,Fe)7C3, M3C2 = kromikarbidi Cr3C2, M23C6 = kromin ja raudan karbidi (Cr,Fe)20(Cr,Fe)3C6, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Kromi saa raudan muodostamaan hiilen kanssa sementiittiä korkeissa lämpötiloissa. Matalammissa lämpötiloissa esiintyy runsaasti kromin ja raudan karbideja. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 16

17 Kuva 11. Fe-96%, C-3%, Ni-1%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-nikkeli-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-96%, C-3%, Ni-1%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirroksessa x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Nikkeli stabiloi austeniittia. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 17

18 Kuva 12. Fe-87%, C-3%, Ni-10%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-nikkeli-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-86%, C-3%, Ni-10%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirroksen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Nikkeli stabiloi austeniittia. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 18

19 Kuva 13. Fe-96%, C-3%, Mn-1%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-nikkeli-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-96%, C-3%, Mn-1%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirroksen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, CEMENTITE = rautakarbidi Fe3C, M7C3 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)7C3, M5C2 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)5C2, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Mangaani saa raudan muodostamaan hiilen kanssa sementiittiä korkeissa lämpötiloissa. Matalammissa lämpötiloissa esiintyy vähäisiä määriä mangaanin ja raudan karbideja. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 19

20 Kuva 14. Fe-87%, C-3%, Mn-10%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-nikkeli-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-87%, C-3%, Mn-10%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirroksen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, CEMENTITE = rautakarbidi Fe3C, M7C3 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)7C3, M5C2 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)5C2, M23C6 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)20(Fe,Mn)3C6, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Mangaani saa raudan muodostamaan hiilen kanssa sementiittiä korkeissa lämpötiloissa. Matalammissa lämpötiloissa esiintyy runsaasti erilaisia mangaanin ja raudan karbideja. Muokattu (Tuula Höök) Valurauta ja valuteräs - 20