Valuraudat.

Valuraudat juha.nykanen@tut.fi

Esitiedot Miten ja miksi jäähtymisnopeus ja pii pitoisuus vaikuttaa valuraudan rakenteeseen? Mikä on piin tärkein vaikutus? Miksi nopea jäähdytys suosii sementiitin syntymistä? Mistä faasista grafiitti muodostuu? Miksi pii on grafitoiva aine? Miksi pii lisää ferriitin lujuutta? Miten seinämävahvuus vaikuttaa jäähtymisnopeuteen? Miten pii vaikuttaa transiitiolämpötilaa? Miten pii vaikuttaa perliitin syntymiseen? Miten pii vaikuttaa martensiitin syntymiseen? 2

Esitiedot Mistä tulevat nimitykset valkoinen valurauta ja harmaa valurauta? Miten ja miksi niiden ominaisuudet eroavat toisistaan? Miksi sementiitti on kovaa ja haurasta? Miksi grafiitti on pehmeää ja haurasta? Miksi valkoisessa valuraudassa on paljon (massaosuus) sementiittiä? Miksi harmaassa valuraudassa on vähän (massaosuus) grafiittia? 3

Esitiedot Mitä tarkoitetaan hiiliekvivalentilla ja mihin sitä käytetään? Miten CE vaikuttaa mikrorakenteeseen? Miksi ollaan kiinnostuneita seoksen koostumuksesta eutektiseen pisteeseen nähden? Miten CE:tä hyödynnetään ainepaksuudeltaan erilaisten kappaleiden seostamisessa? Miten CE vaikuttaa lujuuteen? Vääriä käsityksiä Hiiliekvivalentilla määritetään valuraudan karkenevuus. Väärin! Hiiliekvivalentilla määritetään valuraudan hitsattavuus. Väärin! 4

Hiekkavalu Hiekkavalua käytetään suurien kappaleiden valamiseen. Sula metalli kaadetaan hiekkaan tehtyyn onkaloon jossa se jähmettyy. Onkalo tehdään tyypillisesti puumallin avulla, mutta myös muita mallimateriaaleja käytetään. Muotti jaetaan tyypillisesti kahteen osaan jakotasolla, joten samaa mallia voidaan käyttää uudelleen. 5

Hiekkavalu Muotin alaosa tehdään alakehykseen, joka täytetään osittain hiekalla. Hiekalle asetellaan muotti, keerna (core), syöttökupu (riser), valukanava (gating system) ja kaatokanava (pouring cup). Muottiin lisätään yläkehys ja muotti täytetään hiekalla loppuun. Hiekka tiivistetään täryttämällä, jolloin se kestää liikuttelua. Muotin yläosa avataan ja malli otetaan pois. 6

Hiekkavalu Mallien poisottamista helpottaa niiden viistomuotoilu. Normaali päästökulma (draft) on vähintään 1. Mitä epätasaisempi mallin pinta on, sitä suurempaa kulmaa pitää käyttää. Muotti on valmis kun sen puoliskot kootaan yhteen. 7

Hiekkavalu Sula metalli kaadetaan kaatosuppilon (pouring cup) kautta kaatokanavaan (sprue) josta se virtaa jakokanavan (runner) ja valukanavan (gate) muottionkaloon. Muotissa oleva ilma ja siellä syntyvät kaasut poistuvat ilmareikien (vent) kautta. Muottionkalon vieressä on syöttökuvun (riser) tehtävä on korvata metallien jäähtymisen aiheuttama kutistuminen. 8

Faasimuutos Lämpötilasta riippuen metalli voi esiintyä eri kiderakenteessa tai eri olomuodossa Allotropia (polymorfia) Tasapainopiirrokset Faasimuutoksessa rakenne vaihtuu kahden faasin välillä Olomuoto ei muutu Olomuoto muuttuu Jähmettymisessä neste muuttuu sulasta kiinteäksi. Sulamisessa kiinteä muuttuu sulaksi. 9

Homogeeninen ydintyminen Jähmettymisen ensimmäinen vaihe on ydintyminen Sulan faasin sekaan syntyy hetkellisesti atomirypäs, joka sitten hajoaa Atomiryppään r koko kasvaa alijäähtymisen kasvaessa Kriittistä sädettä r* pienemmät ytimet eivät ole stabiileja. Homogeeninen ydintyminen tapahtuu alijäähtymisellä T H 10

Heterogeeninen ydintyminen Heterogeenisessa ydintymisessä sula jähmettyy kiinteän ytimen pintaan. Heterogeenin jähmettyminen tapahtuu paljon helpommin kuin homogeeninen Sulan seassa on yleensä aina jotain kiinteää Jos kiinteän faasin ja sulan välinen kostutuskulma on 0 tapahtuu jähmettyminen ilman alijäähtymistä Suuremmilla kostutuskulman arvoilla heterogeeniseen ydintymiseen tarvittava alijäähtyminen on suurempaa Kuvan esimerkissä γ JN pintaenergia ytimen ja jähmettyvän sulan välillä γ SV pintaenergia ytimen ja sulan välillä γ pintaenergia sulan ja jähmettyvän sulan välillä 11

Sulaminen Metallin lämmittäminen aiheuttaa sulamisen. Sulaminen tapahtuu sulamispisteessä. Kiinteää faasia ei esiinny normaaliolosuhteissa sulamispistettä korkeamassa lämpötilassa. Sula kostuttaa kiinteän josta se muodostuu -> sulamiselle ei ole energeettistä estettä Teoriassa mahdollista ylikuumentaa kiinteää faasi sulamispisteen yläpuolelle (edellyttää kaasufaasin poistamista joka on erittäin vaikeaa jopa laboratorio-olosuhteissa) 12

Jähmettyminen Sulaminen vaatii lämpöä ja jähmettyminen vapauttaa lämpöä Puhtaan sulan metallin lämpötilan laskeminen aiheuttaa ensin alijäähtymisen Vapautuva lämpö nostaa alijäähtyneen sulan lämpötilan sulamispisteeseen, mutta ei kuitenkaan korkeammalle 13

Kiteiden kasvu Jos kaikki jähmettymisessä syntyvä lämpö johtuu kiinteään, on sulan lämpötila suurempi kuin rajapinnan lämpötila Positiivinen lämpötila gradientti Kiteet kasvavat kun niiden pintaa tulee uusia atomeja sulasta Rajapinnalle tulevat atomit menevät kiinteän atomien muodostamaan nurkkaan tai suoraan rajapinnalle 14

Kiteiden kasvu Jos sula on alijäähtynyt, voi syntyä tilanne, missä jähmettymisessä vapautuva lämpö nostaa kiinteä-sula rajapinnan lämpötilan sulan lämpötilaa korkeammalla Negatiivinen lämpötilagradientti 15

Dentriitti Jähmettymisessä syntyvä lämpö voi poistua sekä kiinteään että sulaan. Jähmettyminen tapahtuu dentriittien avulla Dentriitti on yhtä raetta ja ne kasvavat kiderakenteen edullisimpaan suuntaan sekä pintakeskisessä kuutiossa ja tilakeskisessä kuutiossa suuntaa [100] 16

Dentriitti Dentriitin kasvaminen ja paksuuntuminen voi saa aikaan sulaa metallia sisältävän taskun. Kiinteää faasi mahtuu pienempää tilaan kuin sula Taskussa olevan sulan jähmettyminen aiheuttaa kutistumahuokosen Kutistumahuokosen pinta on epätasainen (näkyy joskus mikroskooppikuvissa) Kaasuhuokonen on pyöreä ja pinnaltaan tasainen 17

Edellä käsiteltiin puhtaan metallin jähmettymistä. Seoksen jähmettyessä syntyvän kiinteän koostumus on eri kuin jähmettyvän sulan. Metalliseoksen jähmettyminen Suotautuminen ja vipusääntö Jos kiinteän koostumus seuraa lämpötilan laskiessa solidusta ja sulan likvidusta, tapahtuu valikoiva jähmettyminen 18

Metalliseoksen jähmettyminen Todellisuudessa sekä sulan että kiinteän faasin koostumus muuttuu jähmettymisen aikana Jos sulan koostumusta vastaava likviduslämpötila on suurempi kuin sulan lämpötila, puhutaan lakimääräisestä alijäähtymisestä Seurauksena on dentriitin kasvaminen vaikka sulassa onkin posiviitinen lämpötilagradientti Lakimääräistä alijäähtymistä voi tapahtua niin paljon että sulassa alkaa (homogeeninen)ydintyminen 19

Jähmettyminen Tasa-akseliset kiteet Chill zone Orientaatiossa [100] olevat kiteet kasvavat nopeiten -> Pylväskiteet Columnar zone Tasa-akseliset kiteet Equiaxed zone 20

Keskustan tasa-akseliset kiteet Sulan lämpötila muotin reunan lähellä on matalampi kuin keskellä Konvektio katkoo dentriittejä jotka aiheuttavat ydintymisen ja kiteiden kasvun 21

Esimerkki Valetaan 7 tuuman (noin 170 mm) hiekkamuottiin 140 C ylikuumennettu sula (CE=3.86) Austeniitin dentriitit kasvavat 55 minuutin ajan Eutektinen reaktio alkaa muotin reunoilla 75 minuutin kohdalla ja keskellä 105 minuutin kohdalla 22

Ollakko vai eikö Tasapainopiirrokset (faasipiirrokset) Rauta-hiili Rauta-sementiitti Rauta-grafiitti Stabiili vs. metastabiili Grafiitti on stabiilimpi rakenne kuin sementiitti. Grafiitin ydintyminen on kuitenkin hidasta, joten sitä välttämättä esiinny kaikissa tilanteissa 23

Grafiitti 25

Sementiitti (Fe 3 C) 26 http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/

Valuraudat Valuraudat ovat rauta-hiiliseoksia, joissa hiilipitoisuus on yli 2.1 %. Yleensä hiilipitoisuus on lähempänä eutektista pistettä, joten valuraudoilla on selvästi matalampi sulamispiste kuin teräksellä Runsaasta hiilipitoisuudesta johtuen hiili esiintyy valuraudassa karbidien lisäksi vapaana grafiittina. Hiilen lisäksi piitä, mangaania, fosforia jne Seosaineet mahdollistavat grafiitin esiintymisen normaalia pienemmillä hiilipitoisuuksilla, joten raja 2.1% ei ole täsmällinen 35

Grafiitti ja sementiitti Grafiitin ydintymistä helpottaa Suurempi hiilipitoisuus Pienempi jäähtymisnopeus Piin läsnäolo Muut seosaineet: Ni, Al, Ti, Cu Helpompaa sulassa kuin kiinteässä Korkea lämpötila Ytimen kasvaminen helpompaa kuin ydintyminen Grafiitin ydintymistä haittaa Seosaineet: Cr, Mo, V, S, Mn Rikin sitominen MnS:ksi edistää grafiitin muodostumista Liika Mn haittaa grafiitin muodostumista. Ihanne suhde Mn = 1.7*S+0.35 Nopea jäähtyminen 38

Steadiitti Steadiitti on ternäärinen eutekti (sulamispiste luokkaa 950 C) Sementiitti (Fe 3 C) Rauta (Fe) Rautafosfidi (Fe 3 P) Mekaanisilta ominaisuuksiltaa kovaa ja haurasta, mutta parantaa sulan juoksevuutta Ohutvalut Lisää kulutuskestävyyttä 39

Eri valurautoja Valkoinen valurauta (white cast iron) Hiili on sitoutunut täysin karbideihin eli sementiittiin. Osittain valkeavalurauta (mottled) Hiiltä sekä grafiittina että karbideina Suomugrafiittivalurauta (myös: harmaa valurauta, grey cast iron) Hiili on suomumaisina sulkeumina Tylppägrafiittirauta Hiili on suomumaisina muodostumina, mutta suomut ovat paksumpia ja reunoistaan tylpempiä kuin suomugrafiittiraudassa Pallografiittivalurauta (nodular cast iron or ductile cast iron) Hiili on pallomaisina sulkeumina Adusoitu eli tempervalurauta (malleable cast iron) Hiili esiintyy kerämäisinä sulkeumina 41

42

SFS-EN EN-GJL-350-22 G = valu J = rauta L =Suomugrafiitti 350 = Murtolujuus 22 =? EN-GJS-400-RT S = Pallografiitti RT = Iskusitkeys testataan huoneen lämpötilassa EN-GJS-400-LT LT = Iskusitkeys testataan matalassa lämpötilassa EN-GJL-HB215 HB215 = Maksimi Brinell-kovuus seinämävahvuuden ollessa 40-80 mm EN-GJL-X300CrNiSi9-5-2 Hiilipitoisuus 3% Kromipitoisuus 9% Nikkelipitoisuus 5% Piipitoisuus 2% EN-GJMW-360-12S-W M = Temperhiili W = Valkoydin 12 = Minimi murtovenymä S = Erillään valettu näyte W = Soveltuu liitoshitsaukseen EN-JL1010 L = Suomugrafiitti 1... = Murtolujuus on pääominaisuus.01. = Järjestysnumero...0 = Ei erikoisvaatimuksia 43

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Kaikki hiili on sitoutunut karbideihin Fe 3 C Cr 7 C 3 (Fe,Cr) 3 C (Fe,Cr) 7 C 3 Erittäin kovia, käytetään kulumiskestävyyttä vaativiin kohteisiin Vähän seostettujen kovuus 350-550 HB Runsaammin seostettujen kovuus 450-800 HB 45

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Tyypillinen koostumus Hiili 1.8-3.6% (Selkeästi alieutektinen) Pii 0.5-1.9% Mangaani 0.25 0.8% Fosfori 0.06 0.2% Rikki 0.06 0.2% Hiili Hiilen lisääminen nostaa syntyvän karbidin kovuutta, mutta pienentää valkoiseksi syntyvän alueen syvyyttä Hiili suosii grafiitin muodostumista Pii Piitä on vähemmän jotta grafiittia ei syntyisi niin helposti kuin muissa valuraudoissa Parantaa sulan juoksevuutta (valaminen helpottuu) Nostaa lujuutta Suosii perliittiä, jota voidaan kompensoida lisäämällä nikkeliä 46

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Rikki ja mangaani Rikkipitoisuus pyritään pitämään alhaalla, loppu rikki sidotaan mangaanilla Mangaani on austeniitin suosija, lisää karkenevuutta, hankaloittaa perliitin syntymistä Fosfori Grafiitin suosija, pitoisuuden pyritään pitämään alhaalla Lisää kulumiskestävyyttä saadaan Nikkelillä Nikkelilisäys hankaloittaa perliitin muodostusta, mutta lisää grafiitin muodostusta. Kromilla kompensoidaan nikkelin grafitoivaa vaikutusta Kromilla (Molybdeenillä) 48

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Valkoinen valurauta Pieni hiiliekvivaletti tai suuri seosainepitoisuus saa aikaan karbidijen syntymisen Koko poikkileikkaus on valkoista Karkea raekoko, satunnainen suuntautuminen Kokillivalu Nopealla jäähdytyksellä (kokillivalu) pinta saadaan jäähtymään nopeammin ja siten valkoiseksi Pinnalta valkoista, sisältä harmaata Hieno raekoko, rakenne suuntautunut kohtisuoraan muotin pintaan nähden Seosaineiden vaikutus valkeaksi muodostuvan alueen syvyyteen 49

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Amerikkalainen luokittelu (American Society for Testing and Materials - ASTM A532) Class I Type A Ni-Cr high-carbon Type B Ni-Cr low-carbon Type C Ni-Cr GB (grinding balls) Type D Nickel high-chromium Class II Type A 12% Cr Type B 15% Cr-Mo low-carbon Type C 15% Cr-Mo high-carbon Type D 20% Cr-Mo low-carbon Type E 20% Cr-Mo high-carbon Class III Type A 25% Cr 52

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Eurooppalainen luokittelu (EN 12513) EN-GJN-HV350 EN-GJN-HV520 EN-GJN-HV550 EN-GJN-HV600 EN-GJN-HV600 (XCr11) EN-GJN-HV600 (XCr14) EN-GJN-HV600 (XCr18) EN-GJN-HV600 (XCr23) 53

Koostumukset (EN 12513) C Si Mn Cr Ni Mo HV EN-GJN-HV350 Min 2.4 0.4 0.2 350 Max 3.9 1.5 1.0 2.0 EN-GJN-HV520 Min 2.5 1.5 3.0 520 Max 3.0 0.8 0.8 3.0 5.5 EN-GJN-HV550 Min 3.0 1.5 3.0 550 Max 3.6 0.8 0.8 3.0 5.5 EN-GJN-HV600 Min 2.5 1.5 0.3 8.0 4.5 600 Max 3.5 2.5 0.8 10.0 6.5 EN-GJN-HV600 (XCr11) Min 1.8 0.5 11.0 600 Max 3.6 1.0 1.5 14.0 2.0 3.0 EN-GJN-HV600 (XCr14) Min 1.8 0.5 14.0 600 Max 3.6 1.0 1.5 18.0 2.0 3.0 EN-GJN-HV600 (XCr18) Min 1.8 0.5 18.0 600 Max 3.6 1.0 1.5 23.0 2.0 3.0 EN-GJN-HV600 (XCr23) Min 1.8 0.5 23.0 600 Max 3.6 1.0 1.5 28.0 2.0 3.0 54

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Valkoisten valurautojen kovuusvertailu HV HB HRC 350 340 34 400 378 39 450 420 44 500 465 47 520 480 48 550 510 50 600 555 53 650 595 56 700 640 58 750 683 60 Sininen = Menetelmää ei suositella tälle kovuus alueelle 55

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Alieutektinen seos. Nopea jäähtyminen, joten jähmettyminen tapahtuu Fe- Fe 3 C faasipiirroksen mukaan Likviduslämpötilassa sula alkaa jähmettyä austeniitti dentriiteiksi, sulan koostumus seuraa likvidusta, austeniitin solidusta Suurin osa sulasta on hajaantunut austeniitiksi ennen eutektisesta lämpötilaa (riippuu alkuperäisestä koostumuksesta) Loppu sula hajaantuu eutektisella reaktiolla austeniitiksi ja sementiitiksi (ledeburiitti) 56

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Lämpötilan laskiessa austeniitin maksimi hiilipitoisuus laskee ja austeniitista syntyy sementiittiä eutektisen sementiitin pintaan Eutektoidisessa lämpötilassa loppusta austeniitista muodostuu perliittiä ja eutektisesta austeniitista sementiittiä ja ferriittiä 57

Valkoinen valurauta (EN-GJN) Lopulliseksi mikrorakenteeksi tulee sementiittiä, perliittiä ja ferriitti Esieutektinen austeniitti Esieutektoidinen sementiitti Perliitti Eutektinen sementiitti Ei hajaannu Eutektinen austeniitti Sementiitti Ferriitti Murtuma etenee pitkin sementiittiä jonka valkoinen väri on nimen taustalla 58

Valkoinen valurauta (EN-GJN) 61

Adusoidut valuraudat (EN-GJM) Lämpökäsittelyn avulla aikaansaatavia valurautalaatuja: Valetaan valkoisena valurautana Lämpökäsittelyn (adusoinnin) yhteydessä hiili erkautuu kerämäisinä rykelminä (temperhiili); sitkeys paranee (adusointi = sitkeäksi tekeminen) Adusointimenetelmästä riippuen saadaan ns mustaydintai valkoista adusoitua valurautaa 62

Mustaydin (Black heart) -valurauta Aadusointi austeniittialueella 900-950 C neutraalissa atmosfäärissä hiilenkadon estämiseksi Hehkutusaika pitkä, luokkaa 30 tuntia. Suojakaasussa lämpötila voidaan nostaa jopa 1050 C- asteeseen, jolloin aika vastaavasti lyhenee. Grafiitti erkautuu austeniitista ja erkaumat kasvavat sementiitin kustannuksella kerämäisiksi kimpuiksi. Menettely edellyttää kaiken hiilen olemista hehkutuksen alkuvaiheessa sitoutuneena sementiitiksi, muuten grafiitti kasvaa valunjälkeisten suomujen pinnalle. 63

Mustaydin (Black heart) -valurauta Adusoinnin jälkeinen hyvin hidas jäähdytys lämpötilaan 650 C ferriittinen matriisi Adusoinnin jälkeinen hidas jäähdytys 750 C- asteen lämpötilaan ja sen jälkeinen nopea jäähtyminen Perliittinen matriisi Perliittisen tempervaluraudan ominaisuudet ovat hyvät, erityisesti nuorrutettuna Ns. amerikkalainen adusoitu valurauta. 64

Valkoinen (Eurooppalainen) tempervalurauta Valkoiseksi valettua valurautaa hehkutetaan 980-1070 C- asteen lämpötilassa 50-100 tuntia ainepaksuudesta riippuen Hiilenkato pinnasta ja hiilen diffundoituminen pintaan sisäosista. Edellyttää alhaista piipitoisuutta temperhiilen muodostumisen välttämiseksi. Ohuet kappaleet voivat muuttua kokonaan niukkahiilisiksi, kun taas paksummissa kappaleissa valkoinen niukkahiilinen kerros muodostuu vain pintaan sisustan jäädessä temperhiiltä sisältäväksi 66

Adusoitujen valurautojen yleisiä ominaisuuksia Valkoinen adusoitu valurauta on hyvin hitsattavissa, mikäli vain niukkahiilinen valkoinen pintakerros sulaa hitsauksessa (valkoinen kerros on olennaisesti ferriittinen) Mustaydinvalurauta on helposti koneistettavissa, koska kerämäinen grafiittirakenne ulottuu kappaleen pintaan saakka Valkoisella adusoidulla valuraudalla on hyvät mekaaniset ominaisuudet Valkoinen adusoitu valurauta ohutseinämäisiin ja vaikeasti valettaviin kappaleisiin (korkea hiilipitoisuus merkitsee hyvää valettavuutta), mustaydinvalurauta paksuihin ja koneistettaviin kappaleisiin Pitkällinen adusointikäsittely lisää kustannuksia ja hintaa suomu- ja pallografiittivalurautoihin verrattuna Käyttö vähäistä Käydään tarkemmin läpi ensi kerralla 67

Adusoitu eli tempervalurauta 69

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Nimitys tulee murtopinnan väristä Grafiitti esiintyy suomuina, joiden lujuus vaatimaton Murtuma etenee suomuja pitkin ja hyppää metallisen kannaksen yli seuraavaan suomuun Murtopinnasta tulee harmaa Suomugrafiitti Nykyinen lyhenne GJL (vanha oli GRS) Suomugrafiittivalurauta on suositeltavampi nimitys kuin harmaavalurauta 72

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Tyypillinen koostumusalue Hiili 3.6 2.9% Pii 2.5 1.4% Fosfori 0.002 1.0 Rikki 0.02 0.25 Mangaani 0.2 1.0 Mekaaniset ominaisuudet Myötölujuus 98 450 MPa Murtolujuus 150 450 MPa Murtovenymä 0,8 0,3 % 73

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Sulan jähmettyessä austeniitiksi ja grafiitiksi syntyy vain vähän grafiittia. Austeniittia syntyy paljon Vipusääntö Grafiitti jää austeniitti rakeiden väliin suomuiksi Rauta-sementiitti Eutektinen lämpötila 1148 Austeniitin koostumus 2.11 Eutektinen koostumus 4.3 Sementiitin koostumus 6.68 Austeniitin osuus 52 % Sementiitin osuus 48 % Rauta-grafiitti Eutektinen lämpötila 1154 Austeniitin koostumus 2.08 Eutektinen koostumus 4.26 Grafiitin koostumus 100 Austeniitin osuus 98 % Grafiitin osuus 2 % 74

Grafitointikerroin Alkuaineet voidaan jakaa ryhmiin niiden grafitointi vaikutuksen mukaan Vahvat grafitoijat (Si, Al, Ni, Cu) Heikot grafitoijat (P, As) Vahvat karbidin muodostajat (Cr, V, Mn) Heikot karbidin muodostajat (Mo, W) Ryhmien ero tulee esiin niiden vaikutukset Fe-C ja Fe-Gr tasapainopiirroksen eutektisiin lämpötiloihin. Si +1.00 P +1.00 Al +0.50 Ti +0.40 Ni +0.35 Cu +0.20 Mn -0.25 Mo -0.30 Cr -1.00 V -2.50 75

Grafiitin luokittelu Suomugrafiitti I Tylppägrafiitti III Tempervaluraudat IV ja V Pallografiitti V ja VI 77

Rakenne Eutektinen Koostumus lähellä eutektista koostumusta (ei primääristä faasia) Grafiitti ja austeniitti kasvavat yhtäaikaa Edesauttaa mekaanisia ominaisuuksia Rakenteen muodostumista voidaan edistää kohtalaisella jäähtymisnopeudella ja ymppäysaineilla (inoculation) Piirauta+alumiini+kalsium Sulassa on enemmän kiteytymisytimiä Ymppäys siis lisää grafitointikerrointa 78

Rakenne Ruusukegrafiitti Koostumus lähellä eutektia Vähän ydintymiskohtia Sula on alijäähtynyt Esiintyy usein ohuissa seinämissä ja valujen pintaosissa Haitallinen lujuuden kannalta 80

Rakenne Ylieutektinen Primäärisenä faasina grafiitti (isot mustat viivat) Hidas jäähtyminen Paksut kappaleet Vaahtografiitin (kish) muodostuminen valun yläosaan 81

Rakenne Alieutektinen Myös eutektisella koostumuksella Primäärineni austeniitti jähmettyy ensin (valkoiset alueet) Rakennetta suosii ohut seinämä, nopea jäähtyminen ja alijäähtyminen Heikentää mekaanisia ominaisuuksia 82

Rakenne Alieutektinen Kuten tyyppi D, mutta primäärisen austeniitin dendriitit näkyvät selvemmin 83

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Alieutektinen seos. Hidas jäähtyminen, joten jähmettyminen tapahtuu Fe- G tasapainopiirroksen mukaan Likviduslämpötilassa sula alkaa jähmettyä austeniitti dentriiteiksi, sulan koostumus seuraa likvidusta, austeniitin solidusta Suurin osa sulasta on hajaantunut austeniitiksi ennen eutektisesta lämpötilaa (riippuu alkuperäisestä koostumuksesta) Loppu sula hajaantuu eutektisella reaktiolla austeniitiksi ja grafiitiksi 84

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Lämpötilan laskiessa austeniitin maksimi hiilipitoisuus laskee ja austeniitista syntyy grafiittia eutektisen grafiitin pintaan Eutektoidisessa lämpötilassa lopusta austeniitista muodostuu ferriittiä ja grafiittia 85

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Sula on jähmettynyt austeniitiksi ja grafiitiksi Suurehkolla jäähtymisnopeudella grafiitin syntyminen estyy ja austeniitti hajaantuu sementiitiksi (jana a-b). Lopullinen mikrorakenne: grafiitti + esieutektoidinen sementiitti + perliitti b a 86

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Sula on jähmettynyt austeniitiksi ja grafiitiksi Hitaammalla jäähtymisnopeudella grafiitin syntyminen estyy loppuvaiheessa ja austeniitti hajaantuu ferriitiksi (jana d-f) Lopullinen mikrorakenne: grafiitti + esieutektoidinen ferriitti + perliitti f d 87

d f 88

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Jos jäähtymisnopeus on sopivasti edellä mainittujen välissä syntyy rakenteeksi grafiittia ja perliittiä 89

Suomugrafiitti ja perliitti 91

Suomugrafiitti, perliitti ja ferriitti 92

Seostus Hiilipitoisuuden kasvu Jäähtymisnopeuden pienentyminen ja Piipitoisuuden kasvu edistävät ydintymistä Seosaineista nikkeli, kupari ja alumiini edistävät grafiitin ydintymistä Pii ja fosfori vaikutus huomiodaan hiiliekvivalentilla CE = C + Si/3 + P/3 (yleisin) CE = C + 0.3*Si + 0.33*P - 0.027*Mn + 0.4* S 93

Seostus Hiili- ja piipitoisuuden vaikutus valuraudan rakenteeseen näkyy Mauerin piirroksesta Alunperin vuodelta 1920, ei käytetä nykyisin Syntyvä rakenne määritetty 30 mm hiekkamuottiin valetuista sauvoista Ei ota huomioon seinämän paksuutta Alueet I Sementiitti + perliitti IIa Sementiitti + perliitti + grafiitti II Perliitti + grafiitti IIIa Perliitti + grafiitti + ferriitti III Grafiitti + ferriitti 95

Mauerin piirros 96

Seostus ja jäähtymisnopeus Vastaavia piirroksia hiiliekvivalentin ja ainepaksuuden mukaan Esimerkiksi halkaisijaltaan 10 mm sauvan valamiseen tarvitaan hiiliekvivalentiltaan 4,2 jotta rakenteeksi tulisi perliittiä ja grafiittia 30 mm sauvaan riittää hiiliekvivalentti 3,5 97

Seostus ja jäähtymisnopeus Paksujen seinämien valamiseen käytetään suurempaa hiili- ja piipitoisuutta Paksun kappaleen pinta jäähtyy nopeammin, joten rakenteeksi tulee ennemmin perliittiinen Paksun kappaleen keskiosa jäähtyy hitaammin, joten rakenteeksi tulee ennemmin ferriittinen Seuraus Keskiosat ovat heikommat Stadardeissa ei anneta koostumuksia Kiinni valetun, erillään valetun ja valusta irroitetun näytteen lujuuden ja kovuudet poikkeavat toisistaan 98

101

Alue 1 102

Alue 2 103

Alue 2 104

Kovuus ja lujuus Kovuusmittausta käyteään usein laadunvarmistuksessa, sillä vetokokeen tekeminen on hankalampaa ja kalliimpaa Brinell kovuudet ja murtolujuuden välillä on riippuvuus HB = RH*(100+0.44*R m ), missä RH on suhteellinen kovuus Kovuuden ja lujuuden tarkka suhde riippuu ainakin raaka-aineista ja sulatusmenetelmästä. Jos ne eivät vaihtele suurelti, suhteellinen kovuus pysyy lähes vakiona 111

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Ominaisuuksia ja käyttökohteita Ei sovellu kylmä- tai kuumamuokkaukseen (murtovenymät vedossa luokkaa 0.3-0.8%) Pieni loviherkkyys teräkseen verrattuna Lastuttavuus hyvä Matriisin rakenne joko ferriittinen, ferriittis- perliittinen tai perliittinen Kestää huonosti vetoa, paremmin puristusta ja taivutusta Hyvä kulumiskestävyys karkaistua terästä vastaan; sylinterilohkot, jarrurummut Valettavuudeltaan metallimateriaalien parhaita 113

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Ominaisuuksia ja käyttökohteita Hinnaltaan halvin metallinen konstruktiomateriaali Hitsattavuus heikko suuren hiilipitoisuuden vuoksi. Kylmähitsaus ilman esilämmitystä; lisäaineena pronssit, niukkahiilinen teräs, austeniittinen ruostumaton teräs ja Monelmetallit Puolikuumahitsaus. Esilämmitys 300 C- asteen lämpötilaan saakka Kuumahitsaus. Esilämmitys 600-700 C ja hyvin hidas jäähdytys hitsauksen jälkeen, Runsaasti hiiltä ja piitä sisältävät lisäaineet mahdollisia Hyvät vaimennusominaisuudet; työstökonerungot ja -alustat jne. 114

Valurautojen vaimennus GJS = pallografiitti GJM = adusoitu GJL = suomugrafiitti Värähtely vaimentuu suomugrafiitissa nopeasti ominaisuudet 115

Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL) Turpoaminen yli 400 C- asteen lämpötiloissa. Johtuu raudan sisäisestä hapettumisesta, kun happi kulkeutuu valuraudan sisäosiin pitkin grafiittisuomuja Ymppäyksellä (deoksidoivien aineiden kuten kalsiumsilisidin, piiraudan tai piikarbidin lisäyksellä sulaan juuri ennen valua) parannetaan grafiitin ydintymismahdollisuuksia ja saadaan se ydintymään hienojakoisena; Jähmettyminen harmaana suuremmilla jäähtymisnopeuksilla Pieni turpoaminen Paremmat lujuusominaisuudet ja nuorrutettavuus Suomugrafiittivalurautoja ei yleensä karkaista, koska martensiittimuutokseen liittyvä tilavuudenmuutos repii rakenteen helposti rikki pitkin grafiittisuomuja. 116

Lovivaikutus 117

Tylppägrafiittivalurauta (EN-GJV) Saadaan aikaan seostamalla valurauta grafiittia pallouttavilla ja sen palloutumista vastustavilla aineilla Compacted graphite iron Grafiitti ei ole niin terää kuin suomugrafiitissa Hyvä termisen shokin kestävyys (lämpötilan vaihtelut) Jarrulevyt, dieselmoottorien sylinterikannet jne. 118