Metalliseosten sulatus

Transkriptio

1 Metalliseosten sulatus Erkki Itävuori Tampereen teknillinen yliopisto Tuula Höök Tampereen teknillinen yliopisto Alumiiniseosten valussa raaka aineena käytetään yleisimmin romusta ja muusta alumiinijätteestä puhdistettuja ja uudelleen seostettuja ns. sekundääriharkkoja. Sekundääriharkkoja valmistavat alumiinin talteenottolaitokset, Suomessa esim. Kuusakoski Oy. Romu sisältää tietyn määrän epäpuhtauksia sekä erilaisista seoksista peräisin olevan vaihtelevan seosainevalikoiman. Aiemmista rakeenhienonnus ja modifiointikäsittelyistä, apuaineista tai yksinkertaisesti raaka aineen sekaan joutuneista vieraista aineista peräisin olevat hivenainejäämät voivat aiheuttaa vakavia ongelmia valukappaleiden ominaisuuksissa. Sekalaisen romun keskimääräinen magnesiumpitoisuus on suurempi kuin valuseosten. Romun magnesiumpitoisuutta pienennetään talteenottolaitosten uuniprosessissa kloorihuuhteluin ja magnesiumia tehokkaasti poistavilla peiteja puhdistusaineilla. Romussa on myös runsaasti mangaania. Talteenottolaitokset valmistavat tavanomaisimpia valuseoksia sellaisenaan käytettäväksi. Talteenottolaitoksissa uunilämpötila voi olla yli 800 C, valimoissa korkeintaan C. Korkea lämpötila parantaa varsinkin piin liukenemista. Suuremmissa uuneissa sulan koostumuksen seuraaminen on helpompaa ja uunipanoksen käsittelyaika pitempi kuin valimoiden pienissä uuneissa. Standardinmukainen koostumus saadaan tuotettua raaka aineeseen vähemmin kustannuksin kuin seostamalla valimon sulatusuunissa, kuten raudan ja terästen kohdalla on tapana. Toisen raaka ainelähteen muodostaa valimon oma kiertoromu, jonka koostumuksen tietysti pitäisi vastata valettavaa seosta. Erilaisia seoksia valettaessa romulajit pidetään toisistaan erillään. Hyvälaatuinen kiertoromu voidaan sulattaa sellaisenaan. Ostetun romun osuus on valimoissa pieni ja sen käyttö on käytännössä mahdollista vain sellaisessa suuressa valimossa, jossa sulatus tapahtuu keskitetysti valukoneille sulaa jakavassa suuremmassa uunissa. Toinen mahdollinen, mutta osuudeltaan vähäinen raaka ainelähde on alumiinitehtaiden valmistama primäärialumiini. Seosaineita lisätään tarvittaessa sellaisenaan. Vain vähäisinä määrinä käytettäviä tai helposti hapettuvia seosaineita käytetään alumiiniesiseoksina. Magnesiumseosten sulatuksessa raaka aineena käytetään ensisijaisesti primääriharkkoja, mutta toisinaan myös sekundääriharkkoja. Primääriharkkoja toimitetaan myös valmiiksi alumiinilla seostettuna. Kiertoromun käyttö voi aiheuttaa ongelmia sulaan joutuvien epämetallisten sulkeumien ja korroosionkestävyyttä heikentävien epäpuhtauksien vuoksi. Pienelle valimolle yksinkertaisinta on myydä valukkeet talteenottolaitoksen raaka aineeksi. Jos kiertoromua käytetään suoraan valukoneella olevassa uunissa sulatettavaksi, se tulisi lisätä uuniin vielä kuumana. Kaikki muukin panos tulee esikuumentaa kosteuden poistamiseksi, koska sula magnesium reagoi kosteuden kanssa räjähdysmäisesti. Sinkkiseosten valussa käytetään epäpuhtauksien välttämiseksi raaka aineena puhdasta primäärisinkkiharkkoa ja valimon omaa kiertoromua. Seostuksessa käytetään puhdasta alumiiniharkkoa tai levyleikettä ja kuparia tai kuparialumiiniseosta, joka voi sisältää valmiiksi sopivan määrän magnesiumia. Sinkkitehtaat valmistavat tavallisimpia seoksia myös valmiiksi seostettuna. Valimon oman kiertoromun käyttöön ei liity ongelmia, kunhan sen osuus panoksesta pysyy riittävän pienenä. Sinkkiseokset ovat herkkiä koostumusvaihteluille. Metalloidun sinkkiromun käyttö on mahdollista, mutta ei suositeltavaa. Kromatun sinkkikappaleen pinnoite sisältää suhteellisen paksut kupari ja nikkelivälikerrokset. Nikkeli liukenee sulaan, mutta Metalliseosten sulatus 1

2 muodostaa valusakkaa. Vähiten ongelmia nikkelistä on, jos sulan voidaan antaa seistä sekoittamattomana, kunnes se on muodostanut paksun kuonakerroksen. Suuri osa nikkelistä siirtyy kuonaan. Kupariseosten sulatuksessa raaka aineena käytetään yleensä valmiiksi seostettuja harkkoja ja valimon omaa kiertoromua. Kiertoromun sinkkipitoisuus pyrkii alenemaan palohäviöiden ja höyrystymisen vuoksi, joten häviöitä voi joutua kompensoimaan. Sulatustekniikka Metalliseokset sulavat suhteellisen matalissa lämpötiloissa, jolloin on mahdollista käyttää hyvin monenlaisia uunityyppejä. Samalla uunilla sulatetaan kuitenkin yleensä vain yhden metalliseosryhmän seoksia, koska uunia on mahdotonta puhdistaa täysin edellisen seoksen jäämistä. Alumiiniseoksille, sinkkiseoksille, magnesiumseoksille ja kuparipohjaisille seoksille on kaikille oltava oma uuni tai vähintään oma upokas. Pienen valimon uuni voi yksinkertaisimmillaan olla kaasu tai öljyliekin lämmittämä teräsupokas. Uunityypin valinta riippuu ensisijaisesti sulantarpeesta. Metallurgisen laadun ja käsittelyjen kannalta uunilta kuitenkin vaaditaan enemmän kuin vain kyky kuumentaa panos valulämpötilaan. Lämpöenergian lähteenä voi käyttää polttoainetta tai sähköä. Polttoainetta käytetään liekkiupokkaan lisäksi rumpu ja kammiolieskauuneissa. Polttoaineena on kaasu tai öljy. Sähköenergiaa käytetään induktioupokasuuneissa, upokas ja kammiovastusuuneissa sekä kaksoisallasinduktiouuneissa. Vastusuuneja käytetään kuumanapidossa, mutta ne soveltuvat myös sulatukseen. Sulamäärän ja sulan metallurgisen laadun mukaan järjestys vähäisimmästä vaativimpaan uunityyppiin on: vastus ja liekkiupokasuuni induktiouuni lieska tai vastuskammiouuni Kullakin uunityypillä on etunsa. Sähköuuneilla on helpointa säätää lämmitystehoa ja sen myötä sulan lämpötilaa. Vastusuunien sulatusnopeus on kuitenkin vaatimaton ja sähköuunit ovat lämmönsiirtotavan sekä suhteellisen pienen tehon vuoksi melko joustamattomia nopeasti vaihteleville sulantarpeille. Induktiouunissa lämpö syntyy itse panoksessa. Kuumennus on hyvin tehokasta, sulatus on nopeaa ja ylikuumennuslämpötila helposti asetettavissa. Sulan sähkömagneettinen sekoitusliike ja sulaan panostetun aineksen nopea upotus pitää hapettumisen ja palohäviöt vähäisinä sekä sulan koostumuksen ja lämpötilan tasaisena. Tärkeitä sulan metallurgiseen laatuun liittyviä seikkoja ovat oksidien ja valusakan muodostuminen. Vastusuunin pohjalle voi kertyä (suotautua) runsaasti valusakkaa, jos sitä käytetään pitkiä aikoja tyhjentämättä. Jos sakka sekoittuu sulaan, se aiheuttaa valukappaleisiin kovia kohtia. Induktiouuneissa suotautumista ei tapahdu yhtä helposti kuin vastusuuneissa, koska sula sekoittuu jatkuvasti. Osa sulassa olevista oksidipartikkeleista kulkeutuu uunin vuoraukseen ja tarttuu siihen. Vuoraus tai upokas on pyrittävä pitämään kohtuullisen puhtaana kuona tai oksidikertymistä. Ne voivat irrotessaan kulkeutua sulan mukana kappaleisiin. Vastusuunin etuina muihin uunityyppeihin verrattuna ovat hyvin pieni vaikutus sulan laatuun, pienet poistokaasujen päästöt sekä matala melutaso. Energiankulutus on kuitenkin suurempi kuin induktiouunissa. Metalliseosten sulatus 2

3 Upokasuunit Upokasuuneja ovat vastusupokasuuni ja liekkiupokasuuni. Niitä käytetään pienillä ja keskikokoisilla valukoneilla tai pienten ja keskikokoisten sarjojen työpisteillä kuumanapitoon ja sulatukseen. Upokastyyppisessä uunissa on irrallinen upokas, joka on suhteellisen helppo vaihtaa eri seoksia varten. Pienet uunit ovat kallistettavia. Niiden upokas voidaan valun päätyttyä tyhjentää loppusulasta ja kertyneestä muusta aineksesta kaatamalla. Yli 100 kg:n uunit ovat yleensä kiinteitä. Upokkaiden valmistusmateriaaleja ovat rauta, teräs, kvartsi, alumiinioksidi, grafiitti ja piikarbidi. Upokasmateriaalit sopivat eri metalliseoksille seuraavien periaatteiden mukaisesti: Teräs ja valurautaupokkaat sopivat hyvin sinkki ja magnesiumseoksille. Teräs ja valurautaupokkaita voidaan käyttää alumiinin sulatukseen vuorattuina, mutta massoina käytettävien vuorausmateriaalien lämmönjohtokyky on uunin sulatustehoa ajatellen heikko. Alumiini ja magnesiumsula tai esimerkiksi alumiinipronssin sisältämä alumiini pelkistävät kvartsiupokasta. Oksideja sulasta poistavat puhdistusaineet kuluttavat alumiinioksidiupokasta. Grafiitti ja piikarbidiupokkaat sopivat hyvin paitsi induktio tai vastusuunin upokkaaksi myös liekkiupokkaaksi, kunhan liekki ei ole liian hapettava. Grafiitti ja piikarbidiupokkaita käytetään teräsupokkaan sijasta voimakkaasti rautaa liuottavien seosten sulatuksessa. Vastusupokasuunissa on metallinen kuori, jonka sisälle on muurattu tulenkestäviä tiiliä tai tehty lämpöä eristävä kerros tulenkestävästä massasta. Lämmitysvastukset ovat jousimaisia. Ne kiinnitetään eristävän kerroksen sisäpuolelle. Lämpö siirtyy vastuksista upokkaan seinämään säteilemällä. Vastusten koko lasketaan tarvittavan sulatustehon mukaan. Vastukset valmistetaan metallista tai piikarbidista. Metallisten vastusten käyttölämpötila ulottuu noin 700 C:een. Liekkiupokasuunin rakenne muistuttaa vastusupokasuunia. Palohäviöiltään liekki ja vastusupokasuunit ovat samaa luokkaa. Liekkikuumennus on huomattavasti vastuslämmitystä tehokkaampaa, koska liekki kohdistuu suoraan upokkaan ulkoseinään. Liekki ohjataan polttimesta upokkaan seinämän ja uunivaipan vuorauksen väliseen solaan kiertämään upokasta. Tällä tavoin kuumennus on tasainen. Polttimen koko määrittää uunin energiatalouden ja sulatustehon. Tarvittaessa voidaan käyttää useampia polttimia. Suuremman kuumennustehon lisäksi moniliekkisen upokasuunin etuna on palamisäänen hiljeneminen. Induktiouunit Induktiouuneja on kahta tyyppiä: induktioupokasuuneja ja kouruinduktiouuneja. Induktiouuneissa lämpö syntyy panoksessa eli lämpöä ei tarvitse siirtää. Tästä syystä kuumennus on tehokasta, sulatus nopeaa ja ylikuumennus helposti määrättävissä haluttuun lämpötilaan. Sulatusteho riippuu upokkaan seinämän paksuudesta siten, että ohutseinämäisen upokkaan sulatusteho on suurempi kuin paksuseinämäisen. Induktioupokasuuni muodostuu yksinkertaistettuna lämpöeristetystä upokkaasta ja sen ympärillä olevasta induktiokelasta. Upokkaaseen panostettu metalli kuumennetaan pyörrevirroilla. Pyörrevirtoja muodostuu, kun induktiokelan läpi johdetaan vaihtovirta. Induktiokelan ympärille on sijoitettu muuntajalevypakkoja (ikeitä), joiden tarkoituksena on tarjota magneettikentälle pienivastuksinen reitti ja estää pyörrevirtojen syntyminen uunin kuoreen. Pyörrevirrat saavat upokkaassa olevan sulan virtaamaan pyörteinä keskeltä ylös ja alaspäin. Virtauksen voimakkuus riippuu käytetystä sähkötehosta ja sähkövirran taajuudesta. Virtaus vähentyy taajuuden kasvaessa ja tehon pienentyessä. Metalliseosten sulatus 3

4 Kuva 1. Induktioupokasuunin rakenne Sulatusta aloitettaessa erityisesti induktiouunin upokas panostetaan siten, että kuumentuessaan laajenevat kappaleet eivät rasita upokkaan seinämiä. Pitkät harkot asetetaan mieluiten pystyasentoon. Pyörrevirtojen muodostumissyvyys riippuu vaihtovirran taajuudesta: mitä suurempi taajuus, sitä ohuempaan pintakerrokseen virrat keskittyvät ja sitä pienikokoisemman kappaleen sulatus on mahdollista. Kiinteän panoksen ottama teho on suurempi kuin sulan. Mikäli sulaa on saatavissa muista uuneista, sulatus käynnistyy nopeammin, jos uuni täytetään osittain valmiilla sulalla. Myös liekki ja vastusupokasuunissa jo neljänneksen täyttö tehostaa aloitusta, kun pohjalla on hyvin lämpöä johtava sulakerros. Induktioupokasuuneja on kahta tyyppiä: keskitaajuus ja verkkotaajuusuuneja. Keskitaajuusuuneissa käytetään Hz taajuuksia, verkkotaajuusuuni toimii tavallisen verkkovirran taajuudella (50 Hz). Kestomuottivalimoiden kokoluokassa induktiouunit ovat tavallisesti keskitaajuusuuneja, eli niiden taajuus on sadoista muutamiin tuhansiin Hz. Uunin vuoraaminen heikentää uunin tehoa, koska pyörrevirtojen muodostuminen on tehokkainta induktiokelan lähellä. Kelan ympärille ulkopuolisiksi magneettijohtimiksi sijoitetut ikeet asetetaan mahdollisimman lähelle kelaa. Kuumanapitoon tarkoitetuissa induktioupokasuuneissa kela voi olla hyvin lyhyt, uunista vain kolmanneksenkin korkuinen. Se sijoitetaan heti uunin pohjan yläpuolelle, jotta uunia voi käyttää myös vajaana. Massalla vuoratussa lyhytkelauunissa on mahdollisuus sijoittaa kanavallisen kaatonokan aukko syvälle uuniin, välittömästi kelan yläpuolelle. Tällöin kuonaa ei joudu kaadettaessa senkkaan. Kouruinduktiouuni toimii muuten samalla tavoin kuin induktioupokasuuni, mutta siinä pyörrevirtoja muodostetaan vain erilliseen, uunin pohjassa olevaan kanavaan eli kouruun. Kouruinduktiouuni on energiataloudellisempi kuin induktioupokasuuni. Induktiouunit sopivat hyvin sekä rauta että ei rautametallien sulatukseen. Kestomuottimenetelmissä käytettävistä metalliseoksista sitä käytetään erityisesti kupariseosten sulattamiseen. Alumiiniseosten ja muiden helposti hapettuvien ja kuonaa muodostavien metalliseosten sulatuksessa tulee ongelmia sulan kiertoliikkeen vuoksi. Sulan sekoittuminen pitää toisaalta hapettumisen ja palohäviöt vähäisinä sekä sulan koostumuksen ja lämpötilan tasaisena. Uppokuumennusuunit Tavallaan käänteistä liekkiupokasuunia vastaa ns. uppokuumennusuuni. Sulaan, uunialtaan keskelle, on painettu teräsupokas, jonka sisäseinämää kuumennetaan kaasuliekillä. Lämpö siirtyy sulaan johtumalla upokkaan seinämän kautta. Uppokuumennusuunilla ei pysty aloittamaan sulatusta ja mahdollisuudet sulan metallurgiseen parantamiseen ovat vähäiset. Uppokuumennusuuni on energiataloudeltaan varsin tehokas vaihtoehto kuumanapitoon tai sulatukseenkin, jos panostettavaa materiaalia lisätään jatkuvasti eikä uunia tarvitse tyhjentää kokonaan. Uppoupokasuuniperiaatteen nykyaikaista versiota edustavat sinkin ja alumiinin sulattamiseen tai kuumanapitoon soveltuvat kaasulämmitteiset uppokuumennusputket. Rakenteeltaan putki on alapäästään umpinainen ja yläpäästään kannella suljettu, polttimen sisältävä kokonaisuus. Ainoita ulospäin erotettavina osia ovat kaasu ja ilmaputkien liitännät, palokaasujen poistoputki sekä sähköisen sytytyslaitteen pistoke. Tavanomainen putkikoko on halkaisijaltaan luokkaa 200 mm ja Metalliseosten sulatus 4

5 upotettavan osan pituus 700 mm. Alumiinin sulatuksessa tämän kokoinen putki varustetaan 50 kw tehoisella ja sinkin sulatuksessa kw tehoisella polttimella. Yhden putken tuottama sulatusnopeus on tällöin 100 kg alumiinia tai 300 kg sinkkiä tunnissa, kun uunikoko on tonnin luokkaa. Poltto tapahtuu putken sisällä. Polttoilma esikuumennetaan palokaasuilla putken yläosassa. Poltin on suutintyyppinen ja se puhaltaa liekin erityiseen palokanavaan putken keskustassa. Palokanavasta tuleva kuuma kaasuvirtaus kiertää putken seinämiä. Vaipan ulkolämpötila on käytännössä sama kuin sulan lämpötila. Alumiinin sulatuksessa putken sisälämpötila on yli 800 C. Sulan pinnan ja pohjan väliset lämpötilaerot jäävät lähelle uunin pohjaa ulottuvan putken ansiosta hyvin pieniksi. Rakenteen etuna on sulan lämpötilaa kuumemman, eristystä vaativan lämmityslaitteen tai uunitilan puuttuminen, jolloin uuni voi olla ulkomitoiltaan pieni. Uunialtaaseen voidaan sulamäärän ja tehontarpeen mukaan sijoittaa useampia kuumennusputkia ja tarvittaessa niitä voidaan vaihtaa kesken sulatuksen. Tehonsäätö tapahtuu yksinkertaisesti kaasuvirtaa säätämällä. Kuumennusputkia käytetään myös kuumasinkitysaltaiden sulanapitoon. Sinkkiseosten sulatukseen sopii ruostumattomasta teräksestä valmistettu putki, mutta alumiinin sulatuksessa vain keraaminen putkivaippa on mahdollinen. Parhaiten materiaaliksi sopii piikarbidi, jonka lämmönjohtavuus on muihin tavanomaisiin, upokkaissakin käytettyihin keraameihin, (esimerkiksi alumiinioksidiin) verrattuna vähintään kolminkertainen. Piikarbidi kestää hyvin lämpötilanvaihteluita. Putken valmistaminen käyttäen sideaineena piinitridiä on kohtuullisen yksinkertaista. Oksidimateriaalista valmistettu putki reagoi sulan ja juoksutteen kanssa hapettaen sulaa. Samalla se kuluu voimakkaasti. Piikarbidiputki voi vahingoittua juoksutteiden ja käsittelyaineiden vaikutuksesta. Se voi reagoida myös palokaasun hiilidioksidin kanssa muodostaen kvartsia. Reaktio voi rajoittaa putken käyttöiän hyvinkin lyhyeksi, ehkä kuukausien mittaiseksi, jos uunilämpötila pidetään korkeana suurella lämmöntuonnilla. Vaihtoehtona voisi tällöin tulla kysymykseen vastuksin lämmitettävä uppokuumennin. Putken lämmönsiirtokyky ja putken mekaaninen kestävyys ovat keskenään optimoitavia ominaisuuksia. Putken seinämänpaksuuden tulee kestää sulan noste, mutta toisaalta paksussa seinämässä lämpötilagradientti jää pienemmäksi. Sinkkisulassa em. kokoisen putken noste on 160 kg. Jos uuniin asetetaan useita putkia, palotilavuuteen verrattuna runsas seinämäpinta ala tehostaa lämmönsiirtoa. Uunialtaan vuoraukseen käytetään yleensä alumiinioksidia. Suuremmat uunit on jaettu pintapadoilla toisiinsa yhteydessä oleviin panostusaltaaseen, pääasialliseen sulatustehon välittävään kuumennusvyöhykkeeseen ja lähinnä kuumanapitovaiheen tyyppiseen sulanlaskualtaaseen. Panostusaltaassa ei ole putkia lainkaan. Lämpö siirtyy siihen tehokkailla putkilla varustetulta kuumennusvyöhykkeeltä. Sulanlaskualtaan putkiteho vastaa kuumanapidosta ja tarvittaessa laskettavan sulan lämpötilan säädöstä. Kammiouunit Kammiolieskauunissa on kammion sisällä päältä avoin uunitila, jonka ylitse johdetaan kuumennusliekki. Lämmön siirtyminen panokseen perustuu pääasiassa liekin ja sen kuumentaman kammiotilan katon lämpösäteilyyn. Poltin on kammion toisessa päässä ja palokaasut johdetaan toisesta päästä hormin kautta ulos. Toisin kuin liekkiupokasuuneissa, sula on alttiina palokaasuille. Sulaan siirtyy lämpöä melko hitaasti, koska sulalla on heikko säteilyn absorptiokyky. Jos liekki johdetaan hyvin lähelle sulan pintaa, se kuumentaisi sulaa huomattavasti nopeammin, mutta sa Metalliseosten sulatus 5

6 malla sula joutuisi korostetun alttiiksi palokaasuille. Sula hapettuu tällöin nopeasti ja liuottaa kaasuja. Panokseen lämpö siirtyy kuitenkin tehokkaasti, joten kammiolieskauuni sulattaa suurella nopeudella. Säteilystä tai liekin konvektiosta kuumentuvan sulapinnan ja uunin pohjan välille syntyy melko suuri lämpötilaero, syvemmissä uuneissa useita kymmeniä asteita. Uunista ei voi rakentaa kovin syvää. Sulapinnan lämpötila on korkea ja palokaasut rasittavat sitä. Palohäviö voi olla suuri ja kuonakerros paksumpi kuin muissa uunityypeissä. Toisaalta kuonausprosessit ovat tehokkaita, joten tämä uunityyppi sopii hyvin runsaasti kiertoromua käyttävään valimoon. Alumiinin sulatukseen tarkoitettujen kammiolieskauunien koko ulottuu alle 1000 kg:sta useisiin kymmeniin tonneihin. Polttoaineena käytetään neste tai maakaasua, jos sitä on saatavilla. Ensisijaisesti romun sulatukseen tarkoitetuissa lieskauuneissa käytetään usein happirikastettua ilmaa, mikä voi tavanomaiseen esilämmittämätöntä ilmaa käyttävään uuniin verrattuna johtaa jopa kaksinkertaisesti tehostuneeseen energiankäyttöön. Rakenteeltaan kammiolieskauuni voi olla yksi tai kaksikammioinen. Kaksikammioisen lieskauunin ensimmäisessä vaiheessa panosta esilämmitetään, jolloin kosteus haihtuu ja kiertoromun öljy tai irrotusainejäämät häviävät. Kostean romun aiheuttama räjähdysvaara poistuu samalla. Joissakin uuneissa panos sulaa jo esikuumennusrampilla juosten siitä ensimmäisen vaiheen kammioon. Tällöin korkeammalla sulavat osat, esimerkiksi kiertoromukappaleissa olleet liitosvaletut teräsosat jäävät rampille. Kun panos on sulana jo saapuessaan toisen vaiheen kammioon, vaihtelu sulan lämpötilassa jää pieneksi. Sulaa ei myöskään tarvitse ylikuumentaa, jotta sulaan seuraavaksi panostettava aines sulaisi nopeammin. Pienehköstä yksikammioisesta uunista sula lasketaan kaatamalla, kaksikammioisesta sulaa otetaan laskuaukosta tai imupumpulla. Rumpulieskauunin rakenteena on makaava sylinterimäinen teräsvaippa, joka on sisäpuolelta kauttaaltaan muototiilillä vuorattu. Tiilistä muodostuu itsekantava holvi. Sula lasketaan uunista kaatamalla. Kun uuni on kaatoasennossa, sula virtaa kaatonokkaan uunin pohjalta. Tällöin kuljetussenkkaan ei pääse kuonaa ja sulan hapettuminen jää vähäiseksi. Hapettuminen riippuu myös suihkun suojauksesta. Poltin ja palokaasujen poistohormi sijoitetaan uunin samaan päätyyn, jotta kaasuvirta tekee uunissa mahdollisimman laajan kierroksen ja luovuttaa tehokkaasti lämpöä panokseen. Kuumanapitoon ja enenevässä määrin sulatukseenkin käytetään myös kammiovastusuuneja. Vastuselementit sijoitetaan uuniholvin kattoon säteilemään suoraan sulaan. Hyvin eristetyn uunin tehontarve sulatuksessa ja kuumanapidossa on hyvin pieni. Tehontarve voi parhaimmillaan olla alumiinin sulatuksessa luokkaa 600 kw/tonni ja kuumanapidossa jopa alle 10 kw/tonni, kun uunin sulatusteho on muutamasta sadasta kilosta tunnissa ylöspäin. Tehontarve on pieni, koska lämpötehoa ei menetetä poistokaasuissa. Sulatukseen tarkoitetun uunin koon tulee olla tarvittavaan sulamäärään nähden riittävä. Niukaksi mitoitetussa uunissa voi joutua nostamaan sulatuslämpötilaa, mikä johtaa helposti sulan voimakkaaseen hapettumiseen ja kaasujen liukenemiseen siihen. Tavallisesti uuni mitoitetaan vähintään kymmenen tunnin sulamäärälle tavanomaisella sulatusnopeudella. Vaikka kammiovastusuuni on edullinen, sitä käytetään harvoin. Alumiinisula on hyvin juoksevaa, josta syystä uunivuorauksen tulee olla tiivis. Sula tunkeutuu helposti vuorauksen sisään ja muodostaa siinä alumiinioksidia. Eräissä vuorausmassatyypeissä tiivistyminen tapahtuu massatun uunin ensimmäisessä kuumennuksessa, kun osa massan komponenteista sulaa. Rakenne tiivistyy lämpölaajenemisen sijasta. Massattujen uunien vuorauksen kuluminen on suurimmillaan sulan pinnan alueella, jossa se on alttiina alumiinioksidikuonalle. Vuoraus on ajoittain puhdistettava oksidikertymästä, jotta siitä irtoavia partikkeleja ei sekoittuisi sulaan. Oksidikertymä pyrkii lieskauunissa kasvamaan nopeasti, koska oksidi absorboi lämpösäteilyä tehokkaasti ja paikallisesti kuumempana alueena hapettaa sulaa. Myös kammiovastusuunissa alumiinioksidikerrostumat ovat ongelma, varsinkin sulatettaes Metalliseosten sulatus 6

7 sa seosta AlSi8Cu3. Vuoraukseksi sopii kalsinoitu alumiinihydroksidi, bauksiitti, joka sisältää zirkoniumoksidia noin suhteessa 1:15. Kupariseosten sulatuksessa alumiinioksidivuorausmassaan voidaan sekoittaa hienojakoista piikarbidia, joka pelkistää kuparioksidia ja myös lujittaa massaa hajaantuessaan piiksi ja hiileksi. Sen seurauksena vuorauksessa vallitsevat pelkistävät olosuhteet, ja vuorauksen kestävyys kupariseosten kuonaa vastaan paranee. Kaksoisallasinduktiouunit Kaksoisallasinduktiouuni eli kanavauuni on kahdella uunialtaalla varustettu kouruinduktiouunin tyyppinen uuni (Kuva 2). Toista uunia panostetaan ja toisesta otetaan valmista sulaa valukoneelle tai muotteihin. Kuva 2. Kaksoisallasinduktiouuni. Induktori on sijoitettu uunialtaiden väliin. Kaksoisallasuuni panostetaan matalahkoon etualtaaseen. Sula virtaa panostuksen ja sulan laskun aikana kahden altaan välillä, lähellä pohjaa olevassa ja alaviistoon suunnatussa sulakanavassa. Induktori on sijoitettu tämän kanavan yhteyteen. Kaksoisallasinduktiouunin toiminta poikkeaa tässä suhteessa yksialtaisesta kouru uunista, jossa on jatkuva magneettinen ja termosifonikierto. Kanavassa on uunin kokonaistilavuuteen nähden pieni sulamäärä ja siinä syntyvä lämpöteho on rajallinen. Sulaminen tapahtuu kanavan alueelta johtuvalla ja sulaan varastoituneella lämmöllä sekä pienellä sulan kierrolla kanavasta altaaseen. Etualtaan lämpötila pysyy melko matalana. Sula ylikuumentuu vasta virratessaan kanavan läpi syvempään sulanlaskualtaaseen. Suurissa uuneissa voi olla 2 tai 3 kanavaa. Uunia ei voi kaataa, joten sula annostellaan uunista kauhalla tai imupumpulla. Sulatuksen edut ovat vastaavat kuin kaksikammioisella lieskauunilla lukuun ottamatta kylmempää kuonaa. Sula ei kuitenkaan ole alttiina palokaasuatmosfäärille, kuten lieskauunissa. Alumiinin sulatuksessa on ollut ongelmana alumiinioksidin aiheuttama vähittäinen kanavan tukkeutuminen. Sulatuksen aloitus vaatii sulan tuontia muista uuneista. Keskussulatus Jos sulatus tapahtuu kunkin valukoneen omassa uunissa, osa kiertoromusta esimerkiksi roiskeet ja muu hapettunut tai huonolaatuinen romu joudutaan jättämään hyödyntämättä. Menetetyn metallin määrä voi nousta luokkaan 5 % raaka aineesta. Sulan lämpötila ja pinnankorkeus vaihtelee pienessä uunissa panostuksen mukaan, mistä seuraa epätasaisuutta valuprosessiin. Jos sulan laatu halutaan pitää tasaisena ja samalla tehostaa romumetallin kiertoa valimon sisällä, päädytään usein keskussulaton perustamiseen. Metalliseosten sulatus 7

8 Keskussulaton pääasiallinen tehtävä on siis kiertoromun metallurgisen laadun parantaminen kelvolliseksi raaka aineeksi. Keskussulatuksessa voidaan tehdä tehokkaita kuonakäsittelyjä ja käyttää korkeampia lämpötiloja kuin valukoneiden uuneissa. Esimerkiksi epäpuhdasta sinkkiä raffinoitaessa tarvitaan uunilämpötilaksi C. Vain primääriharkkoa käyttävä sinkkivalimo voi toimittaa kiertoromun harkon valmistajalle raaka aineeksi, mikä on metallurgisen laadun kannalta hyvä ratkaisu mutta taloudellisesti epäedullista. Keskussulatto voi huolehtia kaiken raaka aineen siis sekä harkkojen että kiertoromun sulatuksesta tai pelkästään romumetallin sulatuksesta. Jos keskussulatto tuottaa sulaa pelkästä kiertoromusta, valukoneilla olevia uuneja panostetaan sekä harkoilla että keskussulatosta kuljetetulla sulalla. Kun valukoneet saavat kaiken raaka aineen sulana, panostuksesta johtuva valukoneen uunilämpötilan vaihtelu jää vähäiseksi. Sulan lämpötila voi pienessä uunissa vaihdella kymmeniä asteita, jos panostukseen käytetään harkkoja. Sula siirretään valukoneille senkassa. Sulan metallurginen laatu riippuu keskussulatusuunin rakenteesta. Keskussulattoon voidaan hankkia rakenteellisesti monimutkainenkin uunityyppi. Esimerkiksi yksinkertaisen induktiouunin käyttö ei metallurgiselta kannalta ole perusteltua, jos prosessin on raffinoitava huonolaatuista romua. Sen sijaan kaksiosainen kammiolieskauuni sopii tähän tarkoitukseen. Lieskauunissa on helppo pitää yllä korkeaa lämpötilaa kohtuullisella energiankulutuksella. Kuona pysyy myös kuumana. Sulan lasku tapahtuu sulakammion alaosasta, jolloin kuonaa ei pääse kuljetussenkkaan. Induktio ja kouruinduktiouunit sopivat tehokkuutensa ansiosta keskussulattoon, jossa käytetään harkkoa ja puhdasta romua. Keskussulatusyksikköön voi kuulua myös erillinen kuumanapitouuni. Sulan siirretään kuljetussenkassa keskussulatusuunista valukoneille. Sulan metallurginen laatu voi heikentyä kuljetuksen aikana. Tarvittaessa siirtämiseen voidaan käyttää täysin suljettua ja lämmityksellä varustettua senkkaa. Keskussulatuksen edut ovat alumiiniseoksilla selvimmät. Alumiinisula täytyy käsitellä huolellisesti sulatustavasta riippumatta, koska alumiinisulalla on voimakas taipumus muodostaa sulkeumia ja liuottaa kaasuja. Metallurgisten etujen lisäksi keskussulatto pitää yllä riittävää sulatusnopeutta tarjoaa riittävän sulatuskapasiteetin säästää energiaa torjuu palohäviöitä Keskussulatoissa käytettyjen uunien kapasiteetti on tavallisesti vähintään 500 kg tunnissa. Keskussulatusprosessi sopii suureen valimoon, jossa valetaan samaa seosta useissa työpisteissä. Yksikkökoon kasvaessa energian käyttö on taloudellisempaa. Kun valukoneen uuni toimii pelkästään kuumanapitouunina, sen kuluttama energia on sulatukseen verrattuna pieni. 250 kg alumiinimäärän pitäminen 720 C lämpötilassa vaatii kw tehon, kun keskussulatusyksikön suuri kuumanapitouuni voi kuluttaa 5 tonnin sulamäärää kohden 50 kw. Käyttökelvottoman kiertoromun määrä vähenee. Yhdeltä sulatusuunilta on helppo kerätä poistokaasuja ja rakentaa tarvittavat suojaukset. Monta pientä uunia vaatii suuremman määrän rakenteita. Keskussulatossa voidaan pitää sulan tuotanto tehokkaana sekä panostukseen, sulan analyysiin ja koostumuksen sovittamiseen käytettävä työaika lyhyenä. Samalla on mahdollisuus valvoa sulatusta huolellisesti. Yhdeltä uunilta tuleva sula on tasalaatuista. Prosessin hallinta yhdessä yksikössä on huomattavasti helpompaa ja varmempaa kuin yksittäisten valukoneiden uuneissa. Hyvin hallitussa uuniatmosfäärissä hapettuminen, kaasujen liukeneminen ja epämetallisten sulkeumien joutuminen sulaan on vähäistä. Metalliseosten sulatus 8

9 Sulatusprosessin hallinta ja sulankäsittelyt Hyvään sulatustapaan kuuluu, että: raaka aineet ovat puhtaita kuivia sula on hyvin suojattu hapettumiselta alumiiniseokset ja jotkin kupariseokset on suojattu vedyn liukenemiselta kiinteiden partikkelien sekoittumisen sulaan on estetty Panosmateriaalin laatu ja säilytys vaikuttavat sulan laatuun. Pienikokoinen kiertoromu tuo mukanaan runsaasti oksidia. Oksidin määrä kasvaa, jos panosmateriaalia varastoidaan pitkään puutteellisissa olosuhteissa. Useat metalliseokset muodostavat hapettuneen pintakerroksen, joka paksunee esimerkiksi kosteassa varastossa. Sulan laatuun voidaan vaikuttaa tarkoituksenmukaisilla ja oikein suoritetuilla sulankäsittelyillä. Sulan kuonaus on yksi tavallisimmista käsittelyistä. Liuenneen vedyn vähentämiseksi tehdään melko usein kaasuhuuhteluita. Hyvin vaativia kappaleita varten voidaan tarvittaessa tehdä sulan ymppäyskäsittely ja alumiinipiiseosten tapauksessa sulan modifiointi. Ymppäyksen tarkoituksena on hienontaa jähmettymisessä muodostuvaa raerakennetta. Modifiointi hienontaa piin rakennetta. Sinkkiseosten sulatus ja sulan käsittely ovat alumiiniin verrattuna yksinkertaisia. Tärkeimmät sulan laatuun vaikuttavat tekijät ovat epäpuhtauksien välttäminen, lämpötilan seuranta ja oksidinmuodostuksen rajoittaminen. Sinkkisula ei pyri liuottamaan kaasuja kovin herkästi, joten kaasuhuuhtelua ei tarvita. Alumiiniseoksille tyypillisiä erityisiä metallurgisia käsittelyjä ei myöskään tarvita. Matala valulämpötila on sinkkivalukappaleen raerakenteen, tiiviyden ja pinnanlaadun kannalta edullinen. Matala valulämpötila on tarpeen myös vähentämään kuonanmuodostusta sekä kuumakammiopainevaluvalukoneen valukammion ja uunin teräsupokkaan rasituksia. Liian korkea valulämpötila johtaa karkearakeiseen ja hauraaseen raerakenteeseen. Muotin lämpötila tulee toisaalta pitää riittävän korkeana, koska kylmään muottiin valettaessa syntyy karkea ja hauras dendriittinen rakenne. Sulan hapettumisen estäminen Alumiinisula hapettuu helposti. Huolellisessa sulatuksessa puhtaasta raaka aineesta häviö voi olla luokkaa 2 %. Häviöt nousevat helposti suuremmaksi kuin 5 % seuraavissa olosuhteissa seos sisältää runsaasti magnesiumia sulan lämpötila nousee tarpeettoman korkeaksi sulapinta sekoittuu, esimerkiksi panostuksen yhteydessä panos sisältää ohutseinämäistä, hapettunutta tai likaista raaka ainetta uunin upokas on tarpeettoman suuri ja vajaasti täytetty Oksidin määrä voi olla suuri. Sulaan sekoittuneena se ei helposti nouse kuonaan, koska oksidin ja sulan tiheys on lähes sama. Alumiinisulassa esiintyy kahta oksidityyppiä: matalalämpötilaoksideja ja korkealämpötilaoksideja. Matalalämpötilaoksidit ovat hydratoituneita alumiinioksidikalvoja koostumukseltaan Al(OH) ja Al(OH)3. Ne ovat peräisin sulatusuuniin panostetun aineksen pinnalle sitoutuneesta kosteudesta. Mitä suurempi pinta ala sulatettavalla materiaalilla on massaan nähden, sitä enemmän matalaläm Metalliseosten sulatus 9

10 pötilaoksideja muodostuu. Suuripinta alaista materiaalia on esimerkiksi seinämänpaksuudeltaan ohut aines, kuten levyt, purkit, folio ja lastut. Tällaisesta materiaalista koottu panos muodostaa myös vetyä, joka liukenee sulaan. Matalalämpötilaoksidit eivät laskeudu sulan pohjalle, mutta niiden määrää voi vähentää sulankäsittelyiden avulla. Korkealämpötilaoksidit syntyvät alumiinisulan hapettuessa sulatuksen aikana. Ne muodostavat sulan pinnalle nopeasti kalvon, minkä jälkeen oksidikerros kasvaa paksuutta. Mitä korkeampi sulan lämpötila on ja mitä pitempi on sen seisotusaika, sitä enemmän ja sitä paksumpia oksidikalvoja muodostuu. Niiden aiheuttamat valuviat lisääntyvät voimakkaasti kerroksen paksuuden mukana. Paksu γ Al2O3 kerros muuttuu lopulta korundirakenteiseksi α Al2O3:ksi, joka edelleen kasvaa paksuutta. Korkealämpötilaoksideista osa levittäytyy sulaan ja osa vajoaa upokkaan pohjalle. Upokkaan pohjalle laskeutuvat paksuudeltaan yli 100 μm kalvonkappaleet. Korundin ohella myös alumiinin ja magnesiumin sekaoksideilla, kuten magnesiumaluminaattispinellillä MgAl2O4, on taipumus laskeutua upokkaan pohjalle. Magnesiumaluminaatti muodostuu paksuna kerroksena, jos sulan annetaan kuumentua voimakkaasti. Suotuisat olosuhteet voivat esiintyä esimerkiksi lieskauunissa, jos liekki kohdistuu sulan pintaan. Pintakuonan runsas magnesiumoksidipitoisuus nopeuttaa sen muodostumista, koska magnesiumaluminaatti suojaa pintaa heikosti. Pieni berylliumseostus vähentää magnesiumaluminaatin muodostumista. Runsaat oksidikalvot tarttuvat sulan sekoittamisen aikana helposti toisiinsa. Ne voivat asettua valukappaleissa rasitussuuntaan nähden epäedullisesti poikittain ja aiheuttaa laajimmat mahdolliset murtuman etenemisreitit. Jos kalvoja tarttuu muotin seinämille, kappaleen pinta ei jäljenny tarkoin muotin mukaisesti ja pinnanlaatu heikkenee. Ulkonäöltään tällainen pinta muistuttaa kylmäjuoksua. Kuva 3. Alumiinioksidikalvoja valukappaleen mikrorakenteessa. Oksidit esiintyvät kalvomuodostelmien lisäksi partikkeleina. Partikkeleita muodostuu erityisen herkästi kiertoromusta ja panostuksen yhteydessä. Sekä kalvot että partikkelit heikentävät sulan juoksevuutta ja muodostavat sulkeumia. Jähmettymisen aikana partikkelit voivat ydintää kaasu, imu tai mikrohuokosia. Liekki tai vastusuunissa sulan oksidipartikkelien määrä jää pienemmäksi kuin induktiouunissa, koska induktiouunin sekoitusvaikutus kuljettaa oksideita pinnasta syvemmälle. Piikarbidiupokkaan käyttö induktiouunissa vähentää sulkeumien määrää. Osa lämmöstä muodostuu sähköä johtavassa upokasmateriaalissa, jolloin sekoitusvaikutus on pienempi. Oksidien määrään alumiinisulassa vaikuttavat voimakkaimmin sekundääriharkkojen valmistukseen käytettyjen raaka aineiden laatu ja tyyppi harkkojen valmistusprosessi kiertoromun määrä valimossa sulan lämpötilat ja pitoajat sekä harkkosulatolla että valimossa sulatusatmosfäärin suhteellinen kosteus sulan sekoittuminen uunissa ja kaadossa sulankäsittelyjen luonne ja suoritustapa Metalliseosten sulatus 10

11 Oksidien muodostumista voidaan siten välttää valvomalla sekundääriharkkojen valmistukseen käytettävien raaka aineiden laatua valvomalla sulan lämpötilaa harkkosulatolla ja valimossa siten, ettei se missään vaiheessa pääse ylikuumenemaan liiaksi; korkein prosessin aikana esiintyvä lämpötila ei saisi ylittää valulämpötilaa yli 100 C:lla välttämällä sulan seisotusta tarpeettoman pitkiä aikoja; mikäli sulaa joudutaan seisottamaan yli viikonlopun, se tulee puhdistuskäsitellä ja kaasuhuuhdella ennen valun aloittamista estämällä sulan virtaus pyörteisenä ja joutuminen alttiiksi hapettavalle atmosfäärille minimoimalla sulan virtausrännien pituus ja kaatokorkeudet ja valvomalla sulan virtausnopeutta huolehtimalla sulankäsittelyissä, ettei sula tarpeettomasti räisky esim. liian suurella virtausnopeudella tapahtuvan huuhtelu tai kantajakaasun injektoinnin vuoksi poistamalla oksidit sulasta keraamisin suodattimin. Sulan pinta suojataan erilaisilla peiteaineilla. Pintapeitteen tarkoitus on muodostaa este sulan ja ilma atmosfäärin välillä tapahtuville reaktioille. Tärkeimmät reaktiot ovat sulan hapettuminen ja vedyn liukeneminen sulaan ilman kosteudesta tai liekkiuunin palokaasuista. Kun peiteaineita käytetään valulämpötiloissa, ne levittäytyvät matalaviskositeettisina aineina suojaksi sulan pinnalle, vahvistavat ohutta pintaoksidikalvoa sekä sitovat pintaoksidin ja muun pinnassa olevan kuonan helpommin poistettavaksi. Ne voivat myös edistää kaasunpoistoa sulasta ja palauttaa osan kuonassa olevasta hapettuneesta raaka aineesta metalliseksi. Alumiiniseoksilla käytettävät tavallisimmat peiteaineet sisältävät natrium ja kaliumklorideja, kalsiumfluoridia sekä mahdollisesti fosforia. Kloridit ja fluoridit ovat hygroskooppisia ja kosteissa oloissa siten mahdollisia liukenevan vedyn lähteitä. Puolet natriumkloridia ja puolet kaliumkloridia sisältävän peiteaineen sulamispiste on alimmillaan 650 C, eli alumiinia valettaessa juuri alimpien uunilämpötilojen alapuolella. Kloridit eivät suoranaisesti reagoi pintaoksidin kanssa. Ne eristävät sen sulapinnasta. Fluoridit sen sijaan reagoivat pintaoksidin kanssa kuumentaen kuonaa. Niiden liiallinen käyttö aiheuttaa mm. magnesiumin hävikkiä ja kloori tai fluoripitoisten kaasujen muodostumista. Kaasut voivat aiheuttaa korroosiovaurioita uunilaitteistossa. Magnesiumpitoisten alumiiniseosten peitteeltä vaaditaan parempaa suojauskykyä ja alempaa sulamispistettä kuin muiden alumiiniseosten peitteiltä. Magnesiumpitoisten alumiiniseosten pintakalvo sisältää runsaasti magnesiumoksidia, joka ei suojaa sulaa enemmältä hapettumiselta, vaan päinvastoin kiihdyttää sitä. Myös ilma atmosfääristä tuleva vety läpäisee pintakalvon helposti ja ilman tehokasta suojaa magnesiumpitoisen alumiinisulan vetypitoisuus kasvaa voimakkaammin kuin muilla seoksilla. Yli 2 % magnesiumia sisältävät seokset ovat hyvin alttiita kuumarepeilylle ja sitkeyden heikkenemiselle, jos peiteaineesta liukenee sulaan pieniäkin määriä natriumia. Tällöin käytetään magnesiumkloridia natriumkloridin sijasta. Sekä natriumia että fosforia käytetään myös alumiinipiiseosten modifiointiaineena. Ne reagoivat kuitenkin keskenään epäedullisesti, joten peite ja modifiointiaine on valittava toisiinsa sopiviksi. Peitteen ohella sula voidaan suojata hyvin voimakkaasti laimennetulla rikkiheksafluoridilla tai rikkidioksidilla magnesiumsulan tapaan. Magnesiumseosten sulatuksessa kiertoromun käyttö tuo uuniin magnesiumoksidia, jota on vaikea poistaa kuonatta sulatettavasta panoksesta. Magnesiumsulan tiheys on pieni eivätkä epämetallipartikkelit nouse pintaan. Suuremmat valimot voivat sulattaa kiertoromun valukoneille jaettavaksi tai uudelleen harkotettavaksi erillisessä uunissa, jolloin kuonaus on helpompaa. Magnesiumin reaktiivisuus rajoittaa peiteainevaihtoehdot alkali ja maa alkalimetallien klorideihin ja fluorideihin sekä eräisiin inertteihin oksideihin. Peitteitä on kahta tyyppiä, ohuet ja juoksevat peitteet, joita käytetään sulatusvaiheessa sekä paksummat, joilla ohut korvataan sulatuksen lopussa. Metalliseosten sulatus 11

12 Ohuet peiteaineet koostuvat magnesium, kalium ja natriumkloridista Paksu peiteaine sisältää lisäksi kalsium ja magnesiumfluoridia sekä magnesiumoksidia. Paksu peiteaine muodostaa viskoosin koossapysyvän kerroksen, joka eristää sulan ilma atmosfääristä loppukäsittelyn ajan. Paksu peite vedetään sivuun kaadon ajaksi. Kaadon aikana sula voidaan suojata hapettumiselta rikkijauheella. Ennen kaatoa sulaa sekoitetaan oksidien ja sulassa olevien kloridipartikkelien erottamiseksi kuonaan. Magnesiumseosten korroosionkestävyys alenee, jos klorideita jää seokseen. Peiteaine voi sisältää myös kalsiumkloridia, joka lisää kuonan ominaispainoa. Painava kuona laskeutuu upokkaan pohjaan sitoen sulaan sekoittuneet partikkelit. Kaasusuoja on tällöin tarpeen, koska uppoava peite ei suojaa sulaa tehokkaasti. Peiteaineiden höyrystyminen voi aiheuttaa uunilaitteistoon korroosiota. Sula magnesium syttyy ilma atmosfäärissä palamaan liekillä, jos sen lämpötila nousee noin 850 C:een. Pienet liekit voidaan sammuttaa rikki boorihapposeoksella tai suojakaasulla. Rikkiboorihapposeosta käytetään magnesiumsulan suojaukseen senkassa. Jos valut halutaan pitää ehdottoman puhtaina sulkeumista, peiteaineita ei käytetä lainkaan. Sulapinta suojataan pelkästään suojakaasuatmosfäärillä. Raaka aine täytyy myös lisätä suojakaasussa. Suojaukseen käytetään rikkiheksafluoridia (SF6) 0,1... 0,5 % kuivattuun puhtaaseen ilmaan tai ääritapauksessa argoniin sekoitettuna, joskus myös rikkidioksidia. Uunin kannen on oltava tiivis, jotta suojakaasu ei laimene. Rikkiheksafluoridi reagoi magnesiumin kanssa muuttaen sulan magnesiumoksidipintakalvon fluoridipitoiseksi. Happi ei läpäisse fluoridipitoista oksidikalvoa yhtä helposti kuin pelkkiä oksideita sisältävää kalvoa, mutta tärkeimpänä suojausmekanismina pidetään magnesiumin höyrystymisen vähentymistä. Reaktio sulan pinnalla muuttaa osan magnesiumoksidista fluoridiksi reaktiossa 2 MgO + SF6 2 MgF2 + SO2F2 Kalvon suojauskyky riittää noin 700 C lämpötilaan asti. Happea tarvitaan kuitenkin jossain määrin kalvon muodostusvaiheessa, vaikka muodostuttuaan kalvo säilyy pitkään hapettomassakin atmosfäärissä. Happi voi olla läsnä myös hiilidioksidina. Hiilidioksidista vapautuva hiili hienontaa raekokoa. Jos ilmaa ei voi kuivata, suositellaan, että siihen sekoitetaan hiilidioksidia %. Rikkiheksafluoridin suojauskyky riittää hiilidioksidin kanssa hiukan 700 C korkeampaankin lämpötilaan. Rikkimagnesiumyhdisteet muodostavat kerrostumia upokkaan seinämille. Upokas täytyy puhdistaa kerrostumista aika ajoin. Rikkiheksafluoridi on hajuton, joten sen pitoisuuden nousua ilmaseoksessa ei havaitse helposti. Yli 1 % pitoisuus voi aiheuttaa uunin ja valukoneen teräsosissa voimakasta korroosiota, varsinkin jos ilma on kosteaa. Riittävä pitoisuus on havaittavissa sulan pintaa seuraamalla. Alussa pintaan puhalletaan paljon suojakaasua, mutta pintakalvon muodostuttua varsin pieni puhallus riittää. Rikkiheksafluoridi on sellaisenaan fysiologisesti vaaratonta, mutta sen reaktiotuotteen SO2F2 hydrolysoituessa syntyy fluorivetyä ja rikkidioksidia. Rikkiheksafluoridi kuuluu kasvihuoneilmiötä edistäviin kaasuihin. Se on noin kertaa vahingollisempi kuin hiilidioksidi. Koska se säilyy ilmakehässä pitkään hajoamatta, sen käyttöä saatetaan tulevaisuudessa rajoittaa. Hajoamiseen kuluu noin 3000 vuotta. Sulan magnesiumin hapettumistaipumusta voi alentaa pienellä, luokkaa 0,001 % olevalla berylliumseostuksella. Beryllium osallistuu pintaoksidikalvoon vähentäen hapen läpäisevyyttä. Sinkkiseoksilla kiertoromun määrä ja puhtaus määrittää, tarvitaanko sulatuksessa apuaineita. Kiertoromulla voi olla runsaasti pinta alaa, jolloin sinkkiseosten hapettuminen ja kuonanmuodostus lisääntyy. Tämä vältetään upottamalla sulatettava aines kuumana suoraan uuniin. Veteen sammutettujen valukkeiden annetaan kuivaa ennen palauttamista uuniin, mutta muuten romun kierto pitäisi olla välitöntä ylimääräisen kuonanmuodostuksen välttämiseksi. Metalliseosten sulatus 12

13 Upotettava aines panostetaan mieluummin erilliseen kuonalliseen sulatusuuniin kuin valukoneella olevaan uuniin. Tällöin valukoneen uunissa ei tarvitse kuonata ja sekoittaa sulaa. Kuona päätyy helposti valukoneelle ja edelleen muottiin tukkimaan valukanavistoa tai kappaleeseen asti. Jos sulatuksessa ei käytetä lisäaineita, kuonaan jää runsaasti sinkkiä. Kuona on tällöin järkevintä hyödyntää keskussulatusuunilla. Metalloitua romua sulatettaessa apuaineiden käyttöä vältetään, koska apuaineet palauttavat valusakkaa muodostavan nikkelin sulaan. Sulaa tulisi sekoittaa kevyesti kuonauksen yhteydessä, jotta valusakka, lähinnä sulaan liuenneen raudan vuoksi muodostunut FeAl3, saadaan nousemaan pintakerrokseen ja poistettua. Sekoittaminen rajoitetaan uunin yläosaan. Kuona voidaan poistaa muutaman minuutin päästä, jonka jälkeen sulan annetaan jälleen seistä hetki. Tämän jälkeen kuonaaminen toistetaan. Sinkin sulatuksessa käytetään apuaineina klorideja, epäpuhtauksien liukenemisen välttämiseksi mieluiten sinkkikloridia. Ammoniumkloridikin sopii, koska sinkkisula liuottaa siitä vapautuvaa vetyä ja typpeä vain hyvin vähän. Muista uuneista kuoritun kuonan sisältämä sinkki otetaan juoksutteiden avulla talteen keskussulatusuunissa. Juoksutetta lisätään hiljalleen noin 450 C lämpötilaan kuumennettua sulaa sekoittaen, kunnes kuonakerros on hienojakoinen ja jauhemainen. Kuona kuoritaan reikäkauhalla, jonka jälkeen sulan annetaan seistä 15 minuuttia. Tämän ajan kuluessa alumiiniyhdisteet ehtivät nousta pintaan. Alumiini muodostaa apuaineiden kanssa alumiinikloridia, joka osittain poistuu höyrystymällä. Apuaineet palauttavat hapettunutta sinkkiä takaisin metalliseksi tehokkaammin kuin alumiinia. Siten alumiinin palautumista sulaan ei tapahdu. Alumiinin hävikki on kompensoitava panostuksessa. Magnesiumia poistuu sulasta samalla mekanismilla. Palohäviöitä estetään lisäämällä magnesiumia sulan pinnalle teräskannen alla. Kuonan rautapitoisuuden kasvu hankaloittaa sinkin palautumista. Metalloitu romu sulatetaan erikseen ja sulatuksessa syntyvä pintakuona poistetaan ennen juoksutteen lisäämistä. Kuonan kuorinnan jälkeen sulan annetaan seisoa pitkään mahdollisimman matalassa lämpötilassa. Epäpuhtaudet nousevat seisottamisen aikana sakkapartikkeleina pintaan. Kuparisula liuottaa helposti sekä vetyä että happea. Kostea raaka aine tai kostea uunivuoraus altistaa sulan molemmille kaasuille. Vedyn ja hapen määrä täytyy minimoida uuniatmosfäärissä ja välttää sulan tarpeetonta ylikuumennusta. Hiekkavaluun tarkoitetut kupariseokset sulatetaan usein hapettavassa atmosfäärissä, jotta vedyn liukeneminen minimoituu. Prosessi ei poista panoksen mukana tullutta tai uunivuorauksen kosteudesta peräisin olevaa vetyä. Se poistetaan typpi tai argonhuuhtelulla. Sula deoksidoidaan ennen valua. Deoksidointiin käytetään tavallisimmin fosforia. Painevaluun tarkoitettujen kupariseosten suuri sinkkipitoisuus estää vedyn kertymisen sulaan. Höyrystyvä sinkki huolehtii kaasuhuuhtelusta eikä uunissa tarvita muuta huuhtelua. Uuniatmosfääri voi siten olla neutraali tai vain lievästi hapettava, samoin apuaineet. Voimakkaasti hapettava atmosfääri on epäedullinen, koska se aiheuttaa suuria sinkin palohäviöitä. Riittävästi alumiinilla, piillä tai mangaanilla seostetut laadut eivät tarvitse deoksidointia, koska seosaineet sitovat liuenneen hapen oksideiksi. Magnesiumia voitaisiin käyttää kupariseosten deoksidointiin, mutta kappaleisiin ei saa jäädä magnesiumia tai magnesiumoksidia. Oksidisulkeumat pyrkivät kiderakenteessa raerajoille aiheuttaen haurautta. Kuparin sulapinnan suojaukseen voidaan käyttää booraksia, kalkkia, fluorisälpää ja natriumkloridia tai fluoridia. Suojaukseen voi käyttää myös puuhiiltä kaikilla muilla seoksilla paitsi nikkelipitoisilla pronsseilla, jotka liuottavat hiiltä. Jähmettymisen aikana hiili reagoi liuenneen hapen kanssa hiilimonoksidiksi ja muodostaa huokosia. Messinkisulan suojaukseen hiili sopii hyvin, koska silloin uuniatmosfääri ei pyri hapettamaan sinkkiä. Sula peite estää tehokkaimmin sinkin höyrystymistä. Tarvittava ainemäärä on huolellisessa sulatuksessa luokkaa 1 % panoksesta. Sulan pintaa ei saa sekoittaa liiaksi lisääntyvän oksidinmuodostuksen vuoksi. Metalliseosten sulatus 13

14 Valusakan muodostuksen estäminen Alumiinisulan seisoessa pitkään matalahkossa lämpötilassa, siitä erottuu kiinteitä osia sisältävää valusakkaa. Sakka on seosaineina olevien raudan, mangaanin ja kromin sekä joidenkin epäpuhtauksien muodostamia yhdisteitä alumiinin ja piin kanssa. Yhdisteet ovat muuta ainetta raskaampia. Ne vajoavat ja kertyvät uunin pohjalle, jos uunin sisältöä ei sekoiteta huolellisesti pohjaa myöten heti panoksen sulettua. Sekoittamisen jälkeen sulan annetaan seistä hetken siihen sekoittuneiden oksidipartikkelien poistumiseksi. Valusakka ei liukene takaisin, vaikka sulaa kuumennettaisiin. Sulan sekoittuminen kaatojen yhteydessä sekoittaa myös valusakan siihen. Sakka heikentää sulan juoksevuutta ja valukappaleiden laatua. Painetiiviys ja mekaaniset ominaisuudet heikkenevät erityisesti kappaleissa, joissa on vaikeasti syötettäviä alueita. Heikko juoksevuus edistää kylmäjuoksujen ja mikrohuokoisuuden syntymistä. Sekä oksidit että valusakka aiheuttavat kappaleeseen päästessään koneistusta vaikeuttavia kovia kohtia. Ne esiintyvät hyvin usein yhdessä, koska valusakkaa muodostava yhdiste voi ydintyä oksidipartikkelille. Raaka aineen sisältäessä jo valmiiksi hienoja oksideja tai yhdisteitä valusakan muodostuminen nopeutuu. Valusakan muodostuminen on ongelma erityisesti, jos panoksena on käytetty sekundääriharkkoa, jonka koostumus raudan, mangaanin ja kromin osalta on epätasapainossa. Ongelmat lisääntyvät, jos kiertoromun käyttöä ei seurata riittävästi. Sakkaantumistaipumusta voidaan arvioida seosaineiden pitoisuuden perusteella laskemalla yhteen rautapitoisuus, mangaanipitoisuus kaksinkertaisena ja kromipitoisuus kolminkertaisena. Tuloksena on nk. sakkakerroin (SF1, sludge factor). SF1 = Fe% + 2Mn% + 3Cr% Toinen vastaava kerroin on raudan ja mangaanin pitoisuuksien suhde (SF2). SF2 = Fe%/Mn% Kuva 4. Kookkaita valusakkapartikkeleita alumiinivalukappaleen mikrorakenteessa. Sekundääriharkoissa sakkakerrointen maksimiarvoina pidetään yleisesti käytetyille painevalettaville alumiinipiiseoksille (kuten AlSi8... 9Cu3Fe) arvoja: SF1 < 1,6 ja SF2 < 4. Taipumus sakan muodostukseen riippuu sulan lämpötilasta. Mikäli sulan koostumus valusakkaa muodostavien alkuaineiden osalta on vakio, kasvaa sakan muodostumistaipumus sulan lämpötilan laskiessa. Alumiiniseosten uunilämpötila on painevalukonetta varten noin 700 C. Lämpötila ei saa laskea 680 C alapuolelle. Tällöin valulämpötila on yleensä C. Alimmassa uunilämpötilassa taipumus valusakan muodostukseen alkaa kasvaa sakkakertoimen ollessa yli 1,85 %. Kun rautapitoisuus on noin 1 %, muiden sakkaantumista kiihdyttävien aineiden pitoisuutta on rajoitettava. Sulaerien sakkakertoimia voidaan seurata uunianalyysein. Magnesiumseosten sulatus tapahtuu teräsupokkaassa. Teräsupokkaasta liukeneva vähäinen rautamäärä ei ole sulan laadulle haitallinen, toisin kuin kvartsiupokkaasta liukeneva pii. Magnesiumsula ei pyri liuottamaan valukoneen teräsosia samalla tavoin kuin alumiini, joten magnesium sopii painevalettavaksi myös kuumakammiokoneella. Kylmäkammiopainevalussa ongelmana on sulan siirtäminen uunista kammioon siten, ettei siihen muodostu hapettunutta pintakerrosta. Metalliseosten sulatus 14

15 Seisovassa magnesiumsulassa tapahtuu suotautumista. Seosaineina käytetty alumiini ja mangaani sekä epäpuhtautena esiintyvä rauta muodostavat muuta ainetta painavampia metalliyhdisteitä, jotka kertyvät uunin pohjalle. Metalliyhdisteiden sulamislämpötila on korkea. Valusakan lämmönjohtavuus on pienempi kuin sulan tai teräsupokkaan. Jos sakkaa sisältävää upokasta kuumennetaan alta, sen pohja ylikuumenee, vaikka sulan lämpötila pysyy matalana. Ylikuumeneminen ei hajota valusakkaa. Sakka sisältää runsaasti alumiinia, jopa 50 %, jolloin se liuottaa voimakkaasti upokkaan pohjaa. Sinkkiseokset muodostavat valusakkaa helposti, koska sulasta ennenaikaisesti erottuvien alumiinipitoisten faasien tiheysero muuhun sulaan on suuri. Sulaa voi olla tarpeen sekoittaa jatkuvasti. Jos sulassa on runsaasti alumiinia, pinnassa oleva hyvin alumiinipitoinen ja lähes kuonanomainen aines on sekoitettava hyvin muuhun sulaan. Sinkkiseosten uunilämpötilan on oltava vähintään 430 C. Sinkkisulan taipumus liuottaa rautaa kasvaa hyvin nopeasti noin 500 C lämpötilassa. Upokkaan ja valukoneen teräsosien kuluminen lisääntyy voimakkaasti, jos sulaa ylikuumennetaan tarpeettomasti. Upokasta täytyy kuumentaa laajalta alueelta, ei pistemäisesti. Paikallinen ylikuumeneminen johtaa nopeaan liukenemiseen liekin alueella. Teräsosien liukeneminen lisää sulan rautapitoisuutta. Osa raudasta, samoin kuin seosaineena olevasta alumiinista, siirtyy oksidina kuonaan. Tällöin kuonan sulamispiste nousee. Oksidi tai valusakkapartikkelit voidaan puhdistaa sulasta osittain siten, että sula juoksutetaan ennen valua keraamisen vaahtosuodattimen tai suodatinkankaan läpi. Suodatus kannattaa jättää mahdollisimman myöhäiseen vaiheeseen. Käytännössä suodatus voidaan toteuttaa yksinkertaisimmin silloin, kun sulaa kaadetaan keskussulatusuunista kuljetussenkkaan tai jo uunissa. Uuni voidaan jakaa suodattimella kahteen altaaseen ja ottaa sula suodattimen takaa. Suodatuksen tehokkuus riippuu suodatettavien partikkelien koosta ja muodosta. Tietyn silmäkoon suodattimella saadaan poistetuksi ainoastaan kooltaan ja muodoltaan määrätty partikkelijakauma. Jakauma voidaan selvittää valosnäytteestä tehdyssä hieessä esiintyvien partikkelien koon perusteella. Yli 5 μm kokoisia partikkeleita on mahdollista suodattaa. Silmäkooltaan sopivalla keraamisella suodattimella saadaan suodatetuksi % sulassa esiintyvistä partikkeleista. Vastaavaan puhtauteen päästään puhdistuskäsittelyllä, jossa sulaan injektoidaan puhdistuskaasua mahdollisesti kaasuhuuhteluun yhdistettynä. Kaasukupliin tarttuvat kiinteät osaset nousevat kuplien mukana pinnalle. Valusakasta aiheutuvia valuvikoja voidaan välttää noudattamalla panoksen kokoamisessa sakkakerrointen ilmoittamia rajoja pitämällä sulan lämpötila valusakan muodostumisen kannalta hyväksyttävällä alueella koko sulatus ja valuprosessin aikana; lämpötila ei saisi laskea valulämpötilasta yli 50 C sulattamalla kiertoromu erillisessä uunissa ja siirtämällä sula keskussulatusuuniin, jolloin se käy läpi valusakan muodostumisen kannalta kriittisen lämpötila alueen suhteellisen nopeasti suodattamalla sula Sulan puhdistuskäsittely Puhdistuskäsittelyn tarkoituksena on poistaa: sulasta seosaineiden muodostamat oksidit ja muut yhdisteet uunivuorauksista tai upokkaista irronneet partikkelit kiertoromun mukana tullut hiekka ja lika Metalliseosten sulatus 15

16 Kaikki nämä kiinteät ainesosaset heikentävät sulan valuominaisuuksia ja valukappaleiden laatua. Sulasta ei pystytä poistamaan läheskään kaikkia epäpuhtauksia, mutta käsittelyn seurauksena hyvin monet sulaan jäävistä yhdisteistä saadaan muutetuksi vähemmän haitalliseen muotoon. Käsittely suoritetaan lisäämällä sulaan puhdistusaine joko sekoittaen tai injektoimalla. Puhdistusaine reagoi sulaan sekoittuneiden sulkeumien kanssa, minkä seurauksena sulkeumat nousevat pintaan pulverimaiseksi kuonaksi. Käsittelyn jälkeen pinnalle kertynyt aines kuoritaan pois ja sula on valmis jatkokäsittelyä varten. Alumiiniseosten injektointikäsittely voidaan yhdistää kaasuhuuhteluun. Puhdistusainetta kuluu vähemmän ja se jakautuu sulaan tasaisemmin. Jos sula käytetään nopeasti, aineeseen voidaan tarvittaessa lisätä myös rakeenhienonnus ja modifiointiaine. Puhdistus on välttämätön sekä raekoon hienonnus että modifiointikäsittelyn onnistumiselle. Injektointi tapahtuu sulaan työnnetyllä lanssilla. Kantajakaasuna käytetään yleensä typpeä, joka toimii myös huuhtelukaasuna. Puhdistusaine on tavallisesti suoloja. Osa suoloista on myrkyllisiä. Suolojen määrä riippuu seoksesta ja valumenetelmästä sekä sulan puhtausasteesta. Tarve on yleensä grammaa puhdistettavaa sulakiloa kohti. Jos uunipanos on koottu primääriharkosta ja vain vähäisestä määrästä kiertoromua, suoloja tarvitaan vain vähän. Suuri annos tarvitaan, jos uunipanos on koottu sekundääriharkosta ja kiertoromusta. Käsittelyaineet lisätään sulaan esimerkiksi lämpötilassa 750 C. Niiden annetaan vaikuttaa niin kauan kuin silmin havaittavissa oleva kemiallinen reaktio on päättynyt. Sen jälkeen sulan annetaan seistä, kunnes havaitaan, että kuonan kertyminen pintaan loppuu. Sulan kohtuullinen seisottaminen puhdistuskäsittelyn päättymisen jälkeen ei sanottavasti vaikuta sulan valuominaisuuksiin tai valettujen tuotteiden laatuun. Sulan puhtausaste heikkenee, jos puhdistettuun sulaan lisätään vielä kiinteää ainesta. Sulan kaasuhuuhtelu Kaasuhuuhtelu on tavallisista valuseoksista tarpeen vain alumiiniseoksille. Huuhtelun tavoitteena on alentaa sulan vetypitoisuus pieneksi, noin 0,05 ml/kg siten, ettei se pyri erottumaan sulan jähmettyessä. Sula alumiini liuottaa suuria määriä vetyä, mutta jähmeä alumiini vain hyvin vähän. Jos sulan vetypitoisuus on jähmeän aineen liukoisuusrajaa suurempi, se erkanee kaasukupliksi jähmettyneen aineksen sisälle. Painevalukappaleet jähmettyvät niin nopeasti, että vedyn erottumisen aiheuttama huokostilavuus jää yleensä pieneksi verrattuna hiekkavaluun. Samalla vetypitoisuudella jäähtymisnopeuden kasvu kertaluokalla vähentää huokosten tilavuusosuutta karkeasti myös kertaluokalla. Yleensä kaasuhuuhtelu on erittäin helppo niveltää valimon tuotantoprosessiin. Muilla seoksilla kaasuhuuhtelu ei ole tarpeen: Magnesiumseokset eivät muodosta vetyhuokosia erityisen herkästi. Vaikka sula voikin liuottaa vetyä hyvin runsaasti, sen liukoisuus myös kiinteään magnesiumiin on suuri. Jähmettyvä rakenne voi sietää vetysisällön muodostamatta huokosia. Sinkkisula ei liuota kaasuja. Höyrystyvä sinkki toimii messinkien huuhtelukaasuna. Alumiinisula liuottaa helposti vetyä ilmankosteudesta, jos peite tai kaasusuoja on riittämätön. Sulaan sekoittunut ilma tuottaa huokoisuutta pelkästäänkin, mutta vedyn kanssa ongelmat korostuvat. Jos sulan lämpötila pysyy hieman jähmettymislämpötila alueen yläpuolella, vedyn liukeneminen jää kohtuulliseksi, mutta ei merkityksettömäksi. Kaasuhuokosten tilavuus pienenee, kun valukappaleen jähmettymisnopeus kasvaa. Hyvin dispersoitunut, pieni vetyhuokoisuus voi olla painevaluissa jopa edullinen, koska se osallistuu jähmettymiskutistuman kompensoimiseen. Vetyhuokonen ydintyy helposti oksidipartikkelille varsinkin, jos partikkeliin on tarttunut pieni sulaan sekoittunut ilmakupla. Sulan pintajännitys on ilmakuplan lähistöllä hyvin pieni, jolloin Metalliseosten sulatus 16

17 vedyn erottuminen on mahdollista hyvin pienillä pitoisuuksilla. Oksideita ja vetyhuokosia pyrkii siis esiintymään samanaikaisesti ja jakaumaltaan samantyyppisenä. Hieno huokosdispersion muodostuu helpoiten vastaavan oksidirakenteen kanssa. Muiden kaasujen liukoisuus alumiinisulaan on pieni. Huokoisuus on pääosin sekoittuneen ilman ja vedyn aiheuttamaa. Kaasuhuuhtelu voidaan suorittaa puhtaalla typellä, argonilla, kloorilla, niiden seoksilla tai kiinteillä, sulassa hajoavilla ja typpeä tai klooria (heksakloorietaania) vapauttavilla tableteilla. Tablettien käyttö tulee kysymykseen, jos varsinaista kaasuhuuhtelulaitteistoa ei ole käytettävissä. Tabletit eivät ole yhtä tehokkaita kuin kaasut. Ne aiheuttavat myös käsittelykaasun päästöjä. Varastoinnin yhteydessä tabletteihin voi sitoutua kosteutta. Suankäsittelyissä vapautuva kloori poistetaan savukaasujen märkäpesurissa. Aiemmin käytetty diklorodifluorometaani (freon 12, ʺfrigenʺ) on ympäristösyistä hylätty. Kaasuhuuhtelu voidaan tehdä kuplittamalla sulaan työnnetyn putken tai huokoisen pohjatiilen kautta, mutta erityisesti alumiinille sopii ns. pyörivä kaasunpoisto. Siinä akselinsa varassa sulaan työnnetyn pyörivän jakolevyn kehältä puhalletaan kaasua. Kaasuvirta jakautuu hyvin pieniksi ja hitaasti nouseviksi kupliksi. Kuplien toiminta aika on pitkä ja kontaktipintaa kaasutilavuuteen verrattuna paljon. Pienet kuplat sekoittavat pintaa sulasta noustessaan vain vähän, joten sulan altistus hapettumiselle ja uudelle vedyn liukenemiselle jää vähäiseksi. Syvemmällä sulassa sekoitus on pyörivän jakolevyn vuoksi tehokasta. Jakolevy pyörii nopeudella luokkaa 10 r/s. Typen tapauksessa puhallettava kaasumäärä on luokkaa 0,2 l/kg. Käsittely on nopeaa, joten lämpötilan alenemista ei ennätä juurikaan tapahtua. Jäähtymisen kompensoimiseksi tarvittava sulan ylikuumennus jää vähäisiksi. Kuplat auttavat poistamaan epämetallipartikkelit sulasta. Tässä suhteessa tehokkaita ovat typpi ja argon, joiden kupliin partikkelit tarttuvat ja nousevat pintaan nopeammin kuin yksin. Puhdistumista tehostaa kloorin tai heksakloorietaanin sekoittaminen huuhtelukaasuun. Partikkelit tarttuvat tällöin lujemmin kuonaan niiden noustua pintaan asti. Kloorin käyttö toisaalta lisää partikkelipitoisuutta magnesiumpitoisessa sulassa, koska alumiini muodostaa ensin höyrystyvää alumiinikloridia, joka sitten reagoi magnesiumin kanssa magnesiumkloridiksi. Myös natrium voi osallistua reaktioihin kloorin kanssa muodostaen vaikeasti poistettavia partikkeleita. Kuva 5. Vedyn liukoisuus kiinteään ja sulaan alumiiniin lämpötilan funktiona. Alumiinisulan kaasuhuuhtelu voidaan suorittaa myös Aluclean nimisellä laitteistolla. Laitteistoon kuuluu tavallisesti grafiittilanssi. Menetelmän teho on pyörivään kaasulanssiin verrattuna heikompi, joten huuhteluaika on useiden minuuttien luokkaa. Alucleanissa käytetään inerttiä Metalliseosten sulatus 17

18 kantajakaasua ja siihen sekoitettua reaktiivista komponenttia, joka samalla poistaa sulasta mm. natriumia. Kaasuhuuhtelu ja puhdistuskäsittely voidaan yhdistää myös Flux Feeder nimisellä injektiolaitteistolla. Siinä puhdistusaine puhalletaan lanssilla kantajakaasun, yleensä typen, mukana. Tavallinen injektiomäärä on 0,2 % erityisesti injektointiin tarkoitettua puhdistus ja käsittelyainetta. Injektoinnin jälkeen sula saa seisoa minuuttia. Menetelmän haittapuolina ovat paitsi kaasuhuuhtelukäsittelyn melko vaatimaton tehokkuus, myös sen käyttämien puhdistussuolaseosten myrkyllisyys. Kuva 6. Pyörivän kaasunpoiston periaate. Pyörivä jakolevy työnnetään sulaan onton akselinsa varassa. Akselia pitkin puhalletaan huuhtelukaasua rakenteeltaan keskipakopumpun juoksupyörän kaltaiselle jakolevylle, joka imee alapuoleltaan sulaa, sekoittaa huuhtelukaasun siihen hyvin pieniksi kupliksi ja poistaa sen reunoiltaan. Ainoa magnesiumsulaan liukeneva kaasu on alumiinin tapaan vety, mutta suuremman jähmeäliukoisuutensa vuoksi vety aiheuttaa harvemmin ongelmia mgnesiumseoksilla. Pieni vetysisältö kuitenkin vähentää taipumusta kaasuhuokoisuuteen. Kaasuhuokoisuutta esiintyy erityisesti alumiini sekä alumiini ja sinkkipitoisissa seoksissa. Niiden kaasuhuuhteluun käytetään klooria. Sulan lämpötila on kloorihuuhtelun aikana C, koska tällöin huuhtelussa muodostuva ja pintaan nouseva magnesiumkloridi levittäytyy pinnalle osallistuen sulan suojaukseen. Magnesiumkloridi jähmettyy lämpötilassa 713 C ja toisaalta magnesiumin ja kloorin reaktio voimistuu nopeasti yli 750 C:ssa. Zirkoniumia sisältävissä seoksissa vety sitoutuu zirkoniumhydridiksi, joten huuhtelu ei ole tarpeen. Raekoon hienonnus Raekoon hienonnus eli ymppäys erityisenä käsittelynä on tyypillistä alumiini ja magnesiumseoksille. Pieni raekoko on tavoiteltava paitsi hyvien lujuusominaisuuksien vuoksi, myös vähentämään kuumarepeämätaipumusta. Muita etuja ovat: Hienot tasa akseliset rakeet muodostavat hyvin jakautuneen raerajaverkoston, jossa murtumat eivät ydinny ja etene yhtä helposti kuin karkeassa rakenteessa. Hienorakeisessa rakenteessa esiintyy vähemmän imu ja vetyhuokoisuutta Huokosten koko on pienempi. Leveällä lämpötilavälillä jähmettyvien seosten juoksevuus jähmettymisen alettua on parempi hienorakeisessa rakenteessa. Sekundäärifaasit ja raerajoille jähmettymisen aikana kerääntyvät epäpuhtaudet ovat hienompia ja tasaisemmin jakautuneita. Jäännösjännitykset ovat pienempiä ja pinnanlaatu on parempi. Painevalumenetelmää käytettäessä ei aina ole välttämätöntä tehdä erillisiä rakeenhienonnuskäsittelyitä, koska suuri alijäähtyminen ja jähmettymisnopeus riittävät hyväksyttävän raerakenteen Metalliseosten sulatus 18

19 muodostumiseen. Painevalukappaleiden raekoko on usein erittäin hieno, jopa luokkaa 0,01 mm. Rakeenhienonnuskäsittelystä voi kuitenkin olla myös painevalumenetelmässä hyötyä, joten sitä ei tulisi heti hylätä sulankäsittelyvaihtoehtojen joukosta. Raekoon määrää kiteiden ydintymisnopeus jähmettymisen alkuvaiheessa. Ydintymisnopeutta kasvatetaan lisäämällä alumiinisulaan TiAl3 erkaumia sisältävää esiseosta. Erkaumat säilyvät seoksen sulaessa ja toimivat ydintäjinä. Jos sulaa seisotetaan, erkaumat liukenevat ja raekoon pienennysvaikutus heikkenee. Tehokas ydintyminen edellyttää esiseoksen erkaumakoon olevan alle 5 μm. Yli 10 μm suuruiset erkaumat jäävät rakenteeseen sulkeumiksi. Vain magnesiumilla seostettuun alumiiniseokseen lisätään luokkaa 0,02...0,03 % titaania, jos käsittely suoritetaan juuri ennen valua. Alumiiniseosten seosaineista pii, kupari ja sinkki haittaavat rakeenhienonnusaineiden vaikutusta, jolloin annostelun on oltava runsaampaa. Eutektisille ja ylieutektisille alumiinipiiseoksille sopii koostumukseltaan booripitoinen rakeenhienonnusaine. Seoksen piipitoisuuden lisääntyessä boorin merkitys kasvaa ja jo lähes eutektisten alumiinipiiseosten tapauksessa titaani yksin on melko tehoton. Tavanomaiset esiseokset sisältävät noin 5 % titaania ja 1 % booria. Alumiini ja titaaniboridierkaumien AlB2 ja (Al,Ti)B2 esiintyminen tehostaa TiAl3 erkaumien ydintämiskykyä ja säilyttää niiden aktiivisuuden pidempään. Tällöin tarvittava titaanipitoisuus alenee noin puoleen. Rakeenhienonnusaine voidaan lisätä myös peite ja puhdistusaineen mukana titaani ja booriyhdisteinä. Yhdisteet reagoivat sulan pinnalla tuottaen hyvin hienojakoista titaaniboridia. Haittapuolia tällä käytännöllä on kuitenkin runsaasti: vaikeasti arvioitava vaikutus, magnesiumpitoisilla lajeilla hävikki fluoridipitoisen peitteen vuoksi ja sulkeumien muodostuminen, kuonan lisääntyminen sekä fluoripitoisten kaasujen vapautuminen. Joskus raekoon hienonnukseen käytetään zirkoniumia, mutta sitä pidetään vaikutukseltaan heikkona. Zirkonium voi heikentää titaanin vaikutusta, jos näitä kahta ainetta käytetään yhtä aikaa. Rakeenhienonnusaineita on saatavissa suolaseoksina, harkkona, palana ja lankana. Lanka liukenee nopeasti. Sen tehokas toiminta aika voi olla alle minuutin, joten se sopii vain senkasta valamiseen. Lanka lisätään juuri ennen valua, usein langansyöttölaitteella suoraan kaatoon. Harkkojen ja palojen tehokas toiminta aika voi olla puolesta tunnista jopa kahteen tuntiin. Ne sopivat hyvin käytettäväksi valukoneen uunissa. Harkot ja palat lisätään käsittelyn onnistumiseksi välttämättömän puhdistuskäsittelyn jälkeen. Suolaseoksiin perustuvien aineiden vaikutusaika on tyypillisesti useita tunteja, arviolta tuntia. Valamista ei kuitenkaan saa silloinkaan tarpeettomasti viivyttää. Raerakenne saadaan näkyviin hieessä syövyttämällä se Poultonin liuoksella: 60 % suolahappoa, 30 % typpihappoa, 5 % fluorivetyhappoa ja 5 % vettä. Syövytteen tulee olla tuore, ei vuorokautta vanhempi. Hieen voi kuumentaa kiehuvassa vedessä ennen kuin se kastetaan huoneenlämpöiseen syövytteeseen. Runsaasti kuparia sisältävät seokset mustuvat voimakkaasti, joten ne syövytetään 10 % suolahappoliuoksessa, jonka jälkeen pinta puhdistetaan laimealla typpihapolla tai varovasti pyyhkimällä juoksevassa vedessä. Kuva 7. Ylempänä vähän ja alempana runsaasti kiteytymisytimiä sisältävän alieutektisen alumiinipiisulan jähmettyminen ja sen vaikutus syntyvään raekokoon skemaattisesti esitettynä. Metalliseosten sulatus 19

20 Alumiinipitoisten magnesiumseosten raekoon hienontamiseen voidaan käyttää yhdisteitä, jotka hajotessaan vapauttavat sulaan hiiltä. Heksakloorietaani toimii samanaikaisesti sekä kaasuhuuhteluaineena että raekoon hienonnusaineena. Hiiltä vapauttavien aineiden vaikutus perustuu sulassa muodostuviin Al4C3 tai AlN Al4C3 partikkeleihin. Strontium tehostaa vaikutusta. Kuten alumiininkin tapauksessa, painevalettaessa raekoon hienonnus ei välttämättä ole tarpeen. Rakeenhienonnusaine lisätään tavallisesti upokkaan pohjaan kiinnitetyllä briketillä. Zirkonium on myös tehokas raekoon hienonnin, mutta se pyrkii erottumaan magnesiumsulasta muodostaen stabiileja yhdisteitä sekä alumiinin että mangaanin kanssa ja vaatii siten runsasta ylimäärää. Jos sulaa kaadetaan upokkaasta toiseen, zirkoniumia häviää runsaasti. Sopivissa seoksissa se lujittaa raerakennetta huomattavasti sekä huoneenlämpötilassa että korkeammissa lämpötiloissa. Zirkoniumin lisääminen on hankalaa, myös esiseoksena. Lisäys voidaan tehdä K2ZrF6 yhdisteenä yhdessä bariumkloridin kanssa. Ilman bariumkloridia sulaan jäisi zirkoniumyhdisteen hajotessa muodostuvia, vaikeasti poistettavia reaktiotuotteita. Yhdessä bariumkloridin kanssa reaktiotuotteiden tiheys on suurempi ja ne jäävät upokkaan pohjalle. Kuva 8. Titaaniboridikäsitellyn (vasemmalla) ja käsittelemättömän hitaasti jähmettyneen alumiiniseoksen raerakennetta. [Foundry Management & Technology, 113, 5, 1985, s. 32] Alumiinipiiseosten modifiointikäsittely Eutektisessa tai lievästi alieutektisessa alumiinipiiseoksessa matriisin β faasi muodostuu hienorakenteisena, jos sula modifioidaan lisäämällä siihen natriumia, strontiumia tai antimonia. Hieno rakenne muodostuu, vaikka jähmettyminen tapahtuisi hitaastikin. β faasi on eutektisessa reaktiossa erkautuvaa piitä. Myös monet muut alkuaineet kuten cerium, lantaani, neodyymi, mischmetalli (cerium lantaani neodyymiseos), yttrium, germanium ja beryllium toimivat modifioijina. Modifiointi nostaa eutektista koostumusta vastaavaa piipitoisuutta ja alentaa hiukan eutektista lämpötilaa. Natriumlisäys voi alentaa eutektista lämpötilaa aina 12 C. Alijäähtyneenä ydintymisnopeus on suurempi johtaen hienompaan mikrorakenteeseen. Jos piipitoisuus on alle 8 %, modifiointi ei ole tarpeen, koska primäärialumiinin osuus rakenteessa on hallitseva. Modifioinnista alkaa olla enemmän hyötyä, kun piipitoisuus lähestyy eutektista koostumusta. Modifiointi ei välttämättä ole tarpeen painevalumenetelmää käytettäessä, koska nopea jähmettyminen johtaa samaan vaikutukseen. Modifioinnilla on kuitenkin vaikutusta painevalukappaleidenkin rakenteeseen ja sen välilliset vaikutukset ovat samantapaisia kuin raekoon hienonnuksella. Eutektisen lämpötilan aleneminen viittaa siihen, että natrium vähentää eutektisten faasien, erityisesti piin ydintymiskohtien tehokkuutta. Piierkaumat ydintyvät helposti alumiinifosfidipartikkeleille, Metalliseosten sulatus 20