Opetushallitus ja tekijät Opetushallitus PL 380 00531 Helsinki www.oph.fi/verkkokauppa Ulkoasu ja taitto: Elvi Turtiainen Piirrokset: Matti ja Tomi Hyvärinen, Elvi Turtiainen Valokuvat Matti Hyvärinen Tuottaja: Tiina Sipilä ISBN 978-952-13-1193-2 2. painos Painopaikka: Juvenes Print Suomen Yliopistopaino Oy, Tampere, 2013 KOPIOINTIEHDOT Tämä teos on oppikirja. Teos on suojattu tekijänoikeuslailla (404/61). Teoksen valokopioiminen on kielletty, ellei valokopiointiin ole hankittu lupaa. Tarkista, onko oppilaitoksellanne voimassaoleva valokopiointilupa. Lisätietoja luvista ja niiden sisällöstä antaa Kopiosto ry www.kopiosto.fi. Teoksen tai sen osan digitaalinen kopioiminen tai muuntelu on ehdottomasti kielletty.
ESIPUHE Suomen kielellä ei ole ennen tätä kirjaa julkais tu yhtenäistä teosta, joka perehdyttäisi vaha mallien avulla valettavien korujen ja muiden vastaavien pienesineiden valamisen käytäntöön ja teoriaan. Tähän asti aiheesta on ollut saatavilla vain muutamia, pääasiassa englanninkielisiä valamisen käytäntöä käsitteleviä opaskirjasia. Aiemmat alan käytännön oppaat ovat myös osittain vanhentuneita käytettävissä olevan laitteiston, aineiden ja menetelmien osalta. Vahavaluprosessin eri vaiheiden taustalla vaikuttavia fysikaalisia, kemiallisia ja metallurgisia ilmiöitä ei useimmissa teoksissa valoteta lain kaan. Kuitenkin ketjuja lukuun ottamatta yli 80 % jalometalleista valmistettujen korujen perus työstä tehdään valamalla. Sopivan oppaan puut tuessa valtaosa valajista on yhä vain omien ja muilta välittyneiden kokemusten varassa op pineita. Kirjan tiedot perustuvat suurelta osalta teki jöiden pitkäaikaiseen käytännön kokemukseen Sirokoru Oy:n ja Diacast Finland Ltd:n palveluk sessa ja sen ohella tehtyihin erilaisiin havantoi hin ja kokeisiin. Tavoitteena on ollut riittävän helppotajuinen asioiden käsittelytapa, niin että kirja soveltuu ilman mainittavia perustietoja sekä ammattia harjoittavien tietolähteeksi että alan oppilaitos ten oppikirjaksi. Kehityksen kulku on niin nopeata, että tämän päivän tieto on usein jo huomenna vanhentunutta. Tämän vuoksi kirjan selittävä teoreettinen osuus perustuu keskeisiin, jo kauan tunnettuihin tieteellisiin perusteisiin sekä ilmi öiden ja aineiden olemukseen ja ominaisuuksiin. Lukijan tuleekin peilata uusia kehitelmiä ja sovelluksia tätä taustaa vasten. Vahavalumenetelmä koostuu monista toisiinsa liittyvistä työ vaiheista. Näiden keskinäinen vuorovaikutus on moninainen. Tämän vuoksi eri työvaiheita ja asiakokonaisuuksia käsiteltäessä joudutaan toistamaan aiemmin esitettyä hieman eri näkökulmasta. Näin lopun teoriaosassa on vielä joitakin havainnollistavia käytäntöön viittaavia esimerkkejä. Kirja olisikin hyvä lukea ensin kertaalleen läpi yleiskäsityksen saamiseksi ja vasta sen jälkeen perehtyä siihen yksityiskoh taisemmin haluamassaan järjestyksessä. Kirjan tarkoitus ei ole antaa välittömiä vasta uksia kaikkiin mahdollisiin kysymyksiin. Sen sijaan pyritään antamaan tietoa eri työvaiheiden taustalla vaikuttavista ilmiöistä ja materiaalien ominaisuuksista sekä näiden keskinäisistä vuo rovaikutuksista. Kirjan tarkoitus on parhaimmil laan aktivoida lukija omatoimisesti pohtimaan ja ymmärtämään asiayhteyksiä ja johdatella uusiin oivalluksiin sekä itsenäisiin ongelmien ratkaisuihin. 3
SISÄLTÖ Esipuhe 3 Kiitokset 8 OSA I: JOHDANTO 9 1. Vahavalumenetelmä 10 2. Historia 15 2.1 Vanha aika 15 2.2 Viikinkiaika. 800 1050 jkr 15 2.3 Myöhäiskeskiaika 18 2.4 1800-luku 18 2.5 1900-luku 19 2.6 Ensimmäinen teolliseen tuotantoon tarkoitettu vahavalulaite Suomeen 19 2.7 Vahavalulaitteistojen yleistyminen Suomessa 20 OSA II: KÄYTÄNTÖ 21 3. Malliaihiot, välivaiheet ja tuotantomallit 22 3.1 Yleistä 22 3.1.1 Menettelytapoja 22 3.2 Tietokoneavusteinen mallien valmistus 25 3.3 Suunnittelija 27 3.4 Vahamallimuotit 27 3.5 Vahat 36 3.6 Ruiskutuslaitteet 3.7 Valukanavajärjestelmä, valoksen rakenne 47 3.8 Vahapuun valmistus 52 3.9 Valokseen tarvittavan metallimäärän laskeminen 54 4. Muotin täyttäminen muottimassalla 55 4.1 Valmistelu 55 4.2 Muottimassan sekoittami nen ja ilmaus 55 4.3 Fosfaattisidonnaisen muottimassan käyttö 59 4.4. Stonecast-massa 60 5. Vahanpoisto muoteista 61 6. Muotin poltto 63 6.1 Uunit 64 6.2 Jalokivien valaminen paikoilleen 67 7. Kahden eri metallin yhdistelmävalu 70 7.1 Joitakin kaksoismetallivaluun sopivia lejeerinkejä 72 7.2 Käyttöalue 73 8. Valaminen 74 8.1 Muotin purku 74 8.2 Jatkokäsittely 75 9. Valulaitteet 77 9.1 Johdanto 77 9.2 Muottikehykset 78 10. Laitekuvaukset 80 10.1 Valulaitteiden toimintaperiaatteet 80 10.1.1 Kaaviokuvia erityyppisistä valulaitteista 81 4
10.2 Linkovalulaitteet 86 10.2.1 Peruslinko 87 10.2.2 Itsesulattavat linkolaitteet 88 10.2.3 Valuatmosfäärin kontrollointi linko laitteissa 88 10.2.4 Arno Lindnerin konstruktio 89 10.3. Stationääriset tyhjiövalulaittet 89 10.3.1 Valupöytä 89 10.3.2 Tyhjiökaivo 91 10.3.3 Diacast-järjestelmä 92 10.3.4 Pyöriväkammioinen Diacast-järjestelmä 95 10.4 Itsesulattavat tyhjiövalulaitteet 95 10.4.1 Peruslaite 95 10.4.2 Suojakaasussa tai tyhjiössä sulattavat laitteet 96 10.4.3 ALD-kaksikammiojärjestelmä, jossa kammioden paineet voidaan säätää toisistaan riippumatta 98 10.4.4 Yoshida-järjestelmä 99 10.4.5 Valupöytä suljetussa tilassa 99 10.4.7 Titaanin valaminen 100 10.4.8 Paine-erot erilaisilla tyhjiölaitteilla valettaessa 102 10.4.9 Sopivan valulaitteen valitseminen 104 OSA III: TEORIA 105 11. Paino ja paine 106 11.1 Hydrostaattinen paine 106 11.2 Kaasun paine 109 11.3 Käsitteitä 111 11.4 Yhteenveto 111 12. Lämpöoppia 112 12.1 Lämpöenergia 112 12.2 Olotilan muutokset 113 12.3 Lämmön siirtyminen 115 12.4 Lämmön johtuminen 116 13. Keinotekoinen hydrostaattinen paine 121 14. Paine-eron hyödyntäminen 127 15. Täyttymistä edistäviä ja haittaavia tekijöitä 130 15.1 Vastapaine 130 15.2 Kipsin hajoamisreaktiosta syntyvät kaasut 131 15.3 Turbulenssi 131 15.4 Pintajännitys 133 16. Lejeeringit 137 16.1 Keltakultalejeeringit 137 16.2 Vähäinen sinkkilisäys 137 16.3 Runsas sinkkilisäys 137 16.4 Piin lisäyksestä 139 16.5 Kultalejeeringin pilaavat epäpuhtaudet 140 16.6 Valkokullat 141 16.6.1 Yleistä 141 16.6.2 Valkokultalejeeringit 141 16.7 Nikkelivalkokulta 145 5
16.7.1 Nikkelidirektiivi 146 16.7.2 Nikkelivalkokullan renesanssi 147 16.8 Sterling-hopea 148 16.9. Pronssi 148 16.10. Platina 148 16.10.1 Platinan valaminen 149 16.11 Jalometallilejeerinkien pääkomponentit 149 16.12 Jalometallilejeeringeissä käytettyjä lisäyksiä 150 16.12.1 Koboltti 151 16.12.2 Gallium, indium ja magnesium 151 16.12.3 Iridium 151 16.12.4 Sinkki 151 16.12.5 Rauta 152 16.12.6 Pii 152 16.12.7 Germaniumhopea 154 16.13 Piikuparin valmistus 155 17. Volatiilisten lejeerinkien tyhjiövalu 156 18. Valamiseen liittyvää metallioppia 158 18.1 Metallien ominaisuudet 158 18.2 Metallien mikrorakenne 158 18.3 Kiinteät liuokset eli 159 lejeeringit 159 18.4 Lejeerinkien jähmettyminen 161 18.4.1 Dentriittinen kiteenkasvu 162 18.4.2 Tavoitteena hienokiteinen rakenne 163 18.5 Eri metallien (lejeerinkien) tavanomaisia valulämpötiloja 166 18.6 Tihentyminen, ruokinta, jähmettymisjärjestys ja huokoisuus 169 18.6.1 Tihentyminen 169 18.6.2 Ruokinta 170 18.6.3 Jähmettymisjärjestys 173 18.7 Asteittain vaihtuvalämpöinen muotti 176 18.8 Valukappaleiden asettelu muottiin 178 18.9 Supistumishuokoisuuden tuntomerkit 182 18.10 Kaasuhuokoisuus 182 18.11 Muut tyypilliset valuvirheet 184 19. Avosulatusvälineet 186 20. Lämpökäsittelyt 187 20.1 Liuotushehkutus 187 20.2 Lämpökarkaisu 188 20.3 Valkokullan valkaisuhehkutus 189 21. Muottimassa 190 21.1 Kipsisidonnainen muottimassa 190 21.2 Muottimassalta vaadittavia ominaisuuksia 193 21.3 Muottimassajauheiden valmistus 194 21.3.1 Laadun valvonta (ISO 9000) 194 21.4 Valmiin tuotteen tarkastus 195 21.5 Oikean aineen valinta 195 22. Sulatuslaitteet 197 22.1 Grafiitti 197 22.2 Vastuskuumennus 198 22.3 Induktiokuumennus 198 Lopuksi 200 Sanastoa 202 6