11. Suunnattu jähmettyminen

11. Suunnattu jähmettyminen Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto 11.1 Heuvers in pallo Valukappaleen jähmettyminen tulee alkaa syöttökuvuista kauimpana olevista kappaleen osista ja edetä avonaisena rintamana kohti syöttökupua. Tällöin toteutetaan suunnatun jähmettymisen periaatetta. Suunnatun jähmettymisen periaate voidaan toteuttaa havainnollistamalla Heuvers in ympyrämenetelmällä. Kuva 44. Valukappaleen suunnatun jähmettymisen periaatteen havainnollistaminen Heuvers in pallolla 11.1.1 Heuversin pallomenetelmän käyttö valunsuunnittelussa Seuraavissa esimerkeissä käsitellään Heuvers in pallomenetelmän käyttöä valunsuunnittelun apuvälineenä (kuvat 45 A ja B). Kuva 45 A B. Heuversin ympyrämenetelmän käyttö teräsvalukappaleen suunnittelussa A: paksuihin kohtiin syntyy imuvaluvirheitä B: Heuvers in ympyrämenetelmän ja suunnatun jähmettymisen avulla voidaan imuvaluvirheet poistaa. 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 1

Kuva 46. Piirrettyjen Heuvers in ympyröiden kulku valukappaleessa. Kuvassa 46 on esitetty Heuvers in ympyrät teräksisen runkokappaleen solmukohdissa määrättäessä seinämänpaksuuksia ja syöttökupuja, joiden avulla aikaansaadaan suunnattu jähmettyminen. Kuvassa A ja B esitetään kuinka rakennetta muutettaessa voidaan käyttää Heuvers in pallomenetelmää muutosten ja tavoitteen (suunnattu jähmettyminen) havainnollistamiseen. A: syöttö ei ole täydellinen, koska eräitä ympyröitä ei saada ulos syöttökupujen kautta. B: kappaleen kuviteltua muotoa on muutettu jäähdytysraudan ja seinämän vahvuuksia muuttamalla siten, että syöttö tapahtuu täydellisesti yläpuolella sijaitsevasta syöttökuvusta. Kuva 47. Rakenteen muuttaminen ympyrämenetelmän avulla osoitetaan suunnatun jähmettymisen onnistuminen 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 2

11.2 Valukappaleen suunnittelu jähmettymiskutistuman (imun) kannalta Kaikki metallit kutistuvat jähmettyessään. Kutistuma tapahtuu sulassa tilassa, jähmettymishetkellä ja kiinteässä tilassa. Jos kutistumaa ei korvata sulalla metallilla, syntyy kappaleeseen onteloita eli imuvirheitä. Seuraavassa valumetallien jähmettymiskutistumat (Taulukko 3) ja jähmettymisalue (Taulukko 4). 11.2.1 Materiaalikohtaiset kutistumat Taulukko 3. Valumetallien jähmettymiskutistumat Valuraudat: Kutistuma Suomugrafiitti 0,6-1,0 % Pallografiitti: Lämpökäsitelty 0,0-0,5 % Pallografiitti: Lämpökäsittelemätön 0,5-1,0 % Adusoitu (Temper) valu 0,0-1,0 % Valuteräkset: Kutistuma Niukkaseosteiset 1,8-2,2 % Runsasseosteiset 1,5-2,7 % Metallivaluseokset: Kutistuma Alumiiniseokset 1,0-1,5 % Messingit 1,5-1,8 % Pronssit 1,4-2,0 % Metallin olotilan muuttuessa sulasta kiinteäksi tapahtuu kaikilla metalleilla kutistumista. Kutistumat voidaan jaotella kolmeen luokkaan: 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 3

Taulukko 4. Jähmettymisalueet Kutistumatyyppi Sulakutistuma Kiteytymiskutistuma Kiinteäkutistuma Ajankohta Metallin sula-alueella Metallin puuroalueella Metallin kiinteällä alueella 11.2.2 Sula- ja kiteytymiskutistumat Sula- ja kiteytymiskutistumat vaikuttavat käytännössä aina samanaikaisesti ja aikaansaavat yhdessä erilaisia imuilmiöitä. Näitä ilmiöitä voidaan vähentää syöttämällä sulaa metallia syöttökuvuista ja ohjaamalla sulan lämpötilaa muotissa valukanavien sijoituksen avulla. 11.2.3 Kiinteäkutistuma Kiinteäkutistuma vaikuttaa lämpötila-alueella, jossa valetut metallit jäähtyvät jähmettymislämpötilasta huoneenlämpötilaan. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että muottitila, jossa jäähtyminen tapahtuu, on aineen kutistuman verran suurempi. Näin kiinteäkutistuman vaikutuksen lakatessa valettu kappale on kutistunut oikeisiin mittoihinsa. Suurempi muottitila saadaan valmistamalla malli tarvittavan oman kutistuman verran kookkaampi. Metallien kutistumat vaihtelevat valumetallin koostumuksen, kappaleen muodon, muotin laadun, keernojen määrän ja laadun ym. seikkojen vuoksi. Kuva 48. Sulakutistuma 1. Kuva 49. Kiteytymiskutistuma 2. Kuva 50. Kiinteäkutistuma 3. 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 4

11.3 Valumetallin kutistuminen muotissa Metalli kutistuu muotissa kolmessa eri vaiheessa (ks. 11.2.2 ja 11.2.3): sulakutistuma kiteytymiskutistuma kiinteä kutistuma Muotti valettu täyteen sulaa metallia. SULAKUTISTUMA. Lämpötilan putoaminen on kutistanut vielä sulana olevaa metallia. Valukanavistosta virtaa metallia kutistuman tilalle. KITEYTYMISKUTISTUMA. Metalli alkaa jähmettyä ja samalla kutistuu. Ellei kappale saa lisämetallia, muodostuu sen sisään tyhjä kohta, imu. Kiteytymiskutistuma vaikuttaa käytännössä sulakutistuman kanssa samanaikaisesti. KIINTEÄKUTISTUMA. Metalli on täysin jähmettynyt ja kiinteä metalli kutistuu. Saattaa aiheuttaa jännityksiä ja repeämiä valukappaleeseen. Kuva 51. Valumetallin kutistuminen muotissa Valuraudan kutistuma on yleensä pienempi kuin muiden metallien. Tämä johtuu siitä, että rakenteessa oleva grafiitti erottuu metallin ollessa vielä sulana. Erottunut grafiitti vaatii monta kertaa suuremman tilavuuden, kuin mitä sillä on rautaan liuenneena, ja kompensoi näin metallisen perusmassan kutistumisen. Valukappale kutistuu sulasta tilasta jähmettyessään. Seuraavassa taulukossa on esitetty valuseoksen tilavuuden muutos, joka täytyy ottaa huomioon valukappaletta suunniteltaessa. 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 5

Taulukko 4. Tilavuuden muutos Kuva 52. Alumiinivalukappale syötetty tiiviiksi Kuva 53. Syöttökuvussa näkyy kuvun korvaama sula imuna Kun muotin täyttänyt sula metalli alkaa jähmettyä, kutistuu se samanaikaisesti. Valukappaleen ohuet kohdat jähmettyvät aikaisemmin kuin paksut. Vielä sulana olevista paksuista kohdista siirtyy metallia jähmettyviin ohuempiin kohtiin. Paksuihin kohtiin jää ainevajausta, ellei niihin vuorostaan syötetä metallia. 11.4 Imuvirhe Sula- ja kiteytymiskutistun aiheuttaman valuvirheen synty: Jähmettyminen alkaa valukappaleen pinnasta ja edistyy sitä mukaa, kun lämpöä siirtyy sulasta metallista muottihiekkaan. Jähmettyneen kuoren paksuus kasvaa. Se vaatii kutistumisensa sulaa metallia, jota virtaa vielä sulana olevasta kohdasta. Viimeksi sulana oleva kohta ei saa sitä enää mistään, jolloin siihen syntyy imu. Kuva 54. Imu viimeksi sulana olevassa kohdassa 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 6

Valukappaleen paksumpiin kohtiin syntyy imuvirheitä, ellei niihin tuoda lisämetallia syöttökupujen avulla. Valukappaleiden seinämien risteyskohdat ovat muita kohtia paksumpia. Risteyskohta jää viimeksi sulaksi, jolloin siihen muodostuu imu. Kuva 55. Imu paksuimmassa kohdassa Kuva 56. Imu risteyskohdassa IMUVIRHE SYNTYY SIIS KOHTAAN, JOKA ON VIIMEKSI SULANA! 11.4.1 Imuvirheen syntyminen Seuraavassa kuvasarjassa on esitetty eri imuvirheiden syntymismuotoja (kuva 57 A D): A: avoimu B: imuontelo, johon yhdistynyt imupainuma C: avoimu terävässä kulmassa, jota voi kutsua myös tässä kohdassa kulmaimuksi D: keskilinjahuokoisuus Kuva 57 A D. Imuvirheiden eri syntymismuotoja 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 7

Imuvirheen syntyminen: paksuihin kohtiin jää ainevajausta, ellei jähmettyvään kappaleeseen syötetä sulaa metallia. Imut esiintyvät: avoimuna (yleensä massiivisen kohdan yläosaan) imupainumina (jos jähmettynyt kuori painuu ilmanpaineen voimasta) imuonteloina (syöttömetallia ei saatavissa tai ei eristämistä avokuvussa) imuhuokoisina (pienehkö aineen vajaus) kulmaimuna (muotti tai keerna kuumenee voimakkaasti) kulmapuhalluksena (osasyynä syöttövajaus) keskilinjahuokoisuutena (imuhuokoisuus kappaleen viimeiseksi jäävässä keskilinjalla, jossa jähmettymisrintamat kohtaavat). Seuraavassa kuvasarjassa 58 A C esitetään valukappaleen seinämän muotoilun vaiheita ja niiden seurauksia. Erilaisista muotoilutavoista seuraa valukappaleen tiiveydessä tai muodossa muutoksia Seuraukset: - negatiivinen, + = postiivinen Nämä eivät kuitenkaan aina tuo toivottua tulosta, joten suunnittelijan on kokeiltava erilaisia vaihtoehtoja parhaan kokonaisuuden saamiseksi. Tämän mahdollistamiseksi on simulaatiolaitteistojen ja ohjelmien käyttö hyvä apu. Kappale A: ei syöttöä - keskilinjahuokoisuutta ja imuvaluvirheitä Kappale B: syöttökupu - imuvaluvirheitä Kappale C: syöttökupu ja jäähdytysrauta - imuvaluvirheitä Kuva 58 A-C. Kaaviomainen esitys erilaisista tavoista estää imuvirheiden synty 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 8

Kappale D: syöttökupu, umpikupu ja puhkaisukeerna + ei imuvaluvirheitä - umpikupuratkaisun työvaiheet Kappale E: syöttökupu ja syöttötäyte + ei imuvaluvirheitä - ylimääräinen koneistus Kappale F: syöttökupu, valukappaleen muotoilu + ei imuvaluvirheitä Kuva 58 D-E. Kaaviomainen esitys erilaisista tavoista estää imuvirheiden synty 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 9

11.4.2 Imuvaluvirheet Seuraavassa on esitetty tyypillisiä valuvirheitä, jotka aiheutuvat joko liian pienestä tai liian suuresta pyöristyksestä: Kuva 59 A F. Pyöristyksen vaikutus valuvirheisiin 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 10

Imuvaaran suuruus erilaisissa saumaliitostyypeissä: A B C D Kuva 60 A D. Imuvaaran suuruus erilaisissa saumaliitostyypeissä. L-liitos (Kuva 60 A): Imuvaara poistettu pyöristämällä kulmaa ja alimassa vaihtoehdossa lisäämällä pyöristyksen mukainen jäähdytysrauta. Suositeltava liitosmuoto. T- liitos (Kuva 60 B): Imuvaaraa poistettu lisäämällä ensin pyöreät jäähdytysraudat, jolloin imuvika vaara säilyy. Lisäämällä alimman kuvan laattamainen jäähdytysrauta saadaan imuvika poistumaan. Suositeltava liitosmuoto. X-liitos (Kuva 60 C): Lisäämällä jäähdytysrautoja ei saada kunnolla imuvikavaaraa poistumaan. Liitosmuoto ei paras mahdollinen. Y-liitos (Kuva 60 D): Lisäämällä jäähdytysrautoja ei saada kunnolla imuvikavaaraa poistumaan. Liitosmuoto ei paras mahdollinen. 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 11

Kuva 61. X-liitoksen korvaava muoto. A: huono rakenne. B: välttävä rakenne. C: paras rakenne (T < 2d) Siirtämällä risteyskohdat pois toistensa vastapuolelta saadaan massakeskittymä pois ja näin vähennetään imuvian vaaraa. A B C Kuva 62 A C: massakeskittymiä kuvassa A ja parempi muoto kuvassa B. Leikkaus kuvasta B kuvassa C. 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 12

Kuva 63. Imujen esiintymistä ja niiden poistamisen keinoja ohuessa valukappaleessa 11.4.3 Yhteenveto tavoista estää imujen synty Valumetallin kutistuminen jähmettymisen aikana aiheuttaa imuja valukappaleessa. Niiden syntyminen voidaan periaatteessa estää ainoastaan metallin syötöllä. Kappaleen rakenteen tulee olla sellainen, että syöttö on mahdollinen. Harmaassa valuraudassa kiteytyy jähmettymisen kuluessa grafiittia, joka pienemmän tilavuuspainonsa vuoksi kompensoi valuraudan oman jäähtymiskutistuman. Valuraudalla on tästä syystä vähäinen imutaipumus. Eräissä valukappaleissa voidaan sallia vähäisiä imuvirheitä, erikokoisesti ns. keskilinjahuokoisuuutta. Tällaisia valukappaleita voidaan valmistaa halvemmalla (koska ei tarvitse suunnitella imuvirheiden ehkäisyä) kuin sellaisia, joissa imuja ei saa ollenkaan esiintyä. Vältä paikallisia ainekeskittymiä, sillä sellaiset toimivat syöttökupuina ohuemmille seinämille, ja niihin syntyy tästä syystä ylimääräisiä suuria imuvirheitä, jos niihin ei vuorostaan syötetä lisää metallia. Monimutkaiset seinämien risteykset voidaan useimmissa tapauksissa yksinkertaistaa valuteknisesti sopivimmiksi L- ja T- risteyksiksi. Älä aseta valukappaleen eri osia lähelle tosiaan, sillä ne viivyttävät toistensa jähmettymistä, ja vaikutus on sama, kuin jos siinä olisi ainekeskittymä. Jos annetaan kaikkien niiden tekijöiden, jotka vaikuttavat valukappaleen jähmettymisnopeuteen, ilmetä ajateltuna ainelisänä kappaleessa, saadaan valukappaleen kuviteltu muoto. 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 13

Valukappaleen kaikkien osien täydellinen syöttö on mahdollista ainoastaan silloin, jos kappaleen kuvitellulla muodolla on jatkuvasti lisääntyvä seinämän paksuus syöttökupua kohti. Valumetallin laadusta riippumatta suositellaan valukappaleissa käytettävän pyöristyssädettä R, joka on yhtä suuri kuin kappaleen seinämän vahvuus T. Sallittu vaihtelu on n. +/- 0,3 T. Vältä, mikäli mahdollista, saman valukappaleen paksuuksissa suurempia eroja kuin 2:1. Eripaksuisten seinämien yhdistäminen toisiinsa on jo pienienkin paksuuseroavaisuuksien ollessa kyseessä suunniteltava erikoisen huolellisesti. 20.7.2010 Pekka Niemi Suunnattu jähmettyminen - 14