Janne Piippo TERÄSRAESINKOUKSEN INTENSITEETIN VAIKUTUS VALURAUTAKAPPALEEN PINTAJÄNNITYSPROFIILIIN

Janne Piippo TERÄSRAESINKOUKSEN INTENSITEETIN VAIKUTUS VALURAUTAKAPPALEEN PINTAJÄNNITYSPROFIILIIN Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ylempi ammattikorkeakoulututkinto Teknologiaosaamisen johtaminen koulutusohjelma Joulukuu 2007

KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Teknologiaosaamisen johtaminen - koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työntekijä: Työn nimi: Janne Piippo Teräsraesinkouksen intensiteetin vaikutus valurautakappaleen pintajännitysprofiiliin Päivämäärä: 18.12.2007 Sivumäärä 84 + 3 liitettä Työn ohjaajat: DI Sakari Pisilä, DI Tommy Rönnskog, KTL Pekka Nokso-Koivisto Tässä opinnäytetyössä tutkittiin valurautakappaleelle suoritettavan teräsraesinkouksen intensiteetin ja kappaleeseen sinkouksessa syntyvän jäännösjännitystilan jännitysprofiilin välistä yhteyttä. Kirjallisuusosiossa tutustuttiin valurautaan materiaalina, materiaalien väsymislujuuteen, jäännösjännityksiin, sinkoukseen pintakäsittelymenetelmänä sekä jäännösjännitysten mittausmenetelmiin. Kokeellisessa osiossa tutkittiin eri ripustusmenetelmien vaikutusta kappaleiden puhdistustuloksiin riippuratasinkouksessa. Lisäksi mitattiin sinkouksen intensiteettiarvoja kappaleen pinnalta ns. Almen-menetelmällä eri sinkousajoilla. Yhdestä singotusta kappaleesta suoritettiin jäännösjännitysten mittaus. Näiden jäännösjännitysten mittaustulosten sekä Almen-menetelmällä mitattujen intesiteettiarvojen pohjalta arvioitiin jäännösjännitystilan ja kappaleen kokeman sinkousintensiteetin välistä yhteyttä. Sinkous aiheuttaa käsiteltävän kappaleen pintaan voimakkaan puristusjännitystilan. Koko kappaleen pinta on puristusjännityksen alainen sinkouksen jälkeen. Tässä tutkimuksessa suoritetuilla mittauksilla ei pystytty luomaan sinkousintensiteetin ja puristusjännitystilan välille luotettavaa yhteyttä. Jäännösjännitysmittausten tulosten luotettava soveltaminen käytännön väsymislujuuslaskentaan edellyttää väsytyskokeita, joiden suorittamista ei sisällytetty tähän opinnäytetyöhön. Avainsanat: teräsraesinkous, almen-arvo, intensiteetti, pintajännitysprofiili

CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENSES Master s Degree for Technology Competence Management ABSTRACT Author: Name of thesis: Date: 18.12.2007 Janne Piippo Influence of shot blasting intensity to residual stress profile of iron casting Pages 84 + 3 Appendices Supervisors : Sakari Pisilä, Tommy Rönnskog, Pekka Nokso-Koivisto An association between compressive residual stress and intensity of shot blasting was investigated in this thesis using nodular cast iron test specimen. In the literal part was acquainted with cast iron as constructional material, fatique strength, residual stresses, shot blasting as surface treatment method and also measurement methods of residual stresses. In the experimental part of this thesis was investigated the influence of hanging method to degree of treatment when using runway-type shot blasting machine. Also the intensity of shot blasting was to be measured using Almen-method and different blasting times. Residual stress measurment using magnetic method was performed to one test specimen. An association between achieved compressive residual stress and used intensity of shot blasting was estimated using these measurement results. Shot blasting causes compressive residual stress to the suface of the part to be processed. The whole surface area of blasted part is under compressive residual stress after shot blasting treatment. An reliable association between compressive residual stress and intensity of shot blasting was not possible to create based on the results of this thesis. Application of achieved residual stress measurement results to fatique life calculation requires further investigations, e.g. fatigue testing of test specimens which are pre-stressed by shot blasting. This kind of investigations were not included to this thesis. Key words: shot blasting, Almen arc height, intensity, profile of residual stress

SISÄLTÖ ESIPUHE 1 JOHDANTO... 1 2. TUTKIMUSEN TAUSTATEKIJÖISTÄ... 4 3 SINKOPUHDISTUS... 6 3.1 MENETELMÄN MÄÄRITTELY... 6 3.2 SINKOPUHDISTUSKONEET... 7 3.3 SINKOPUHDISTUSKONEEN OSAKOKONAISUUDET... 8 4 VALURAUDAT KONSTRUKTIOMATERIAALINA... 16 4.1 HARMAARAUDAT, ELI SUOMUGRAFIITTIRAUDAT... 17 4.2 PALLOGRAFITTIRAUDAT, ELI SG-RAUDAT... 18 4.3 TYLPPÄGRAFIITTIRAUDAT... 19 4.4 ADUSOIDUT VALURAUDAT, ELI TEMPERRAUDAT... 20 4.5 VALKOISET VALURAUDAT... 22 4.6 VALURAUDAN GRAFIITTIRAKENNE... 22 5 MATERIAALIN VÄSYMINEN... 26 6 JÄÄNNÖSJÄNNITYKSET... 30 6.1 JÄÄNNÖSJÄNNITYSTEN VAIKUTUS VÄSYMISKESTÄVYYTEEN... 32 6.2 JÄÄNNÖSJÄNNITYSTEN MITTAAMINEN... 36 7 SINKOUKSEN INTENSITEETTI JA SEN MITTAAMINEN... 41 7.1 LÄHTÖKOHDAT JA ESITUTKIMUKSET... 44 7.2 MAALATTUJEN KAPPALEIDEN SINKOUS KÄYTTÄEN KORIRIPUSTUSTA... 47 7.3 MAALATTUJEN KAPPALEIDEN SINKOUS KÄYTTÄEN RIPUSTUSTA KUUSEEN... 49 7.4 PUHDISTUSTULOSTEN ARVIOINTI... 54 7.5 ALMEN - KOEKAPPALE... 56 7.6 ALMEN-LIUSKOILLA VARUSTETUN KAPPALEEN SINKOUS... 60 7.7 JÄÄNNÖSJÄNNITYSMITTAUKSET... 67 7.8. JÄNNITYSTULOKSISTA... 73 8. YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET... 81 LÄHTEET... 83 LIITTEET... 85

ESIPUHE Tämän opinnäytetyön on tilannut Pietarsaaressa toimiva, kansainväliseen Componenta-konserniin kuuluva konepajayhtiö Componenta Pistons Oy. Työ on tehty Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun valvonnassa. Työn tarkoituksena oli tehdä Componenta Pistons Oy:lle tutkimus, jossa selvitettiin teräsraesinkouksen intensiteetin yhteyttä valukappaleen pinnalla olevaan jäännösjännitysprofiiliin. Sakari Pisilälle, Tommy Rönnskogille, Matti Rouskulle, kaikille yhteistyötahoille ja tutkimustyön toteuttamiseen osallistuneille yrityksille esitän parhaat kiitokseni saamastani opastuksesta ja tuesta tehdessäni tätä opinnäytetyötä. Lisäksi haluan lausua erityisen kiitokseni perheelleni Katriinalle, Hanna- Maijalle, Henna-Marialle, Juho-Mikolle, Mika-Pekalle ja Miika-Matille siitä ymmärtämyksestä ja kärsivällisyydestä jota he ovat minua ja tekemääni työtä kohtaan osoittaneet Kokkolassa 18.joulukuuta 2007 Janne Piippo

1 1 JOHDANTO Mäntä on keskinopean meridieselmoottorin strateginen osa, jonka lujuus- ja laatuvaatimukset ovat erittäin korkeat. Valmistettavien tuotteiden laatu varmistetaan osaavan henkilökunnan, huippulaatuisten työstökoneiden, kattavan geomerian mittauksen ja monitahoisen materiaalitutkimuksen avulla. Valmiiden tuotteiden on täytettävä niille asetetut korkeat laatu- ja käyttöikävaatimukset niin laskennallisesti kuin käytännössäkin. Alati koveneva moottorivalmistajien välinen kilpailu pakottaa etsimään uusia, entistä kestävämpiä ratkaisuja. Syynä tähän ovat sekä kiristyvät ympäristömääräykset että suurempien konetehojen tavoittelu. Männän helmaosan valmistamiseen käytettävän rautavalun, eikä valmiissa tuotteessa olevien valutilaisten pintojen pintajännitysprofiilia ei ole aikaisemmin mitattu. Tästä syystä väsymislujuuteen positiivisesti vaikuttavan pintajännityksen tuomaa etua ei ole voitu väsymismitoituksessa täysimääräisesti hyödyntää. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on tutkia sinkouksen intensiteetin ja pintajännitystilan välistä yhteyttä. Tutukimuksen tavoitteena on selvittää, voidaanko sinkouksessa syntyvän pintajännityksen määrää ja profiilia päätellä kappaleeseen kohdistuneen sinkousintensiteetin perusteella. Lisäksi tarkoituksena on mittauksilla määrittää, onko singotun valukappaleen pintajännitys sellaisella tasolla, että sen tuomaa lujuusteknistä etua voidaan hyödyntää kappaleen suunnitelussa ja näin menetellen mahdollisesti päästä entistä kevyempiin ja väsymislujuudeltaan parempiin tuotteisiin.

2 Componenta-konsernista Componenta on kansainvälisesti toimiva metalliteollisuuden konserni, jonka tuotantolaitokset sijaitsevat Suomessa, Hollannissa, Ruotsissa ja Turkissa. Componenta toimittaa valettuja, koneistettuja ja pintakäsiteltyjä asennusvalmiita komponentteja ja niistä koostuvia kokonaisratkaisuja asiakkailleen, jotka ovat raskaan ajoneuvoteollisuuden, työkone- ja koneenrakennusteollisuuden sekä energia- ja voimansiirtoteollisuuden yrityksiä. Konsernin liikevaihto on 552 miljoonaa euroa ja henkilöstön määrä on 5 000. Componentan osakkeet noteerataan Helsingin pörssin listalla. Konserniin kuuluva, Pietarsaarelainen Componenta Pistons Oy suunnittelee, valmistaa ja markkinoi isoja dieselmoottoreiden mäntiä laivaja voimalaitoskäyttöön. Componenta Pistonsin palveluksessa on tällä hetkellä 41 henkilöä. Kuvassa 1 on esitetty Componenta-konsernin organisaatiokaavio. Pistons Oy:n voit löytää konepajadivisioonasta, joka on kuvassa kolmas sarake vasemmalta.

KUVA 1. Componenta-konsernin organisaatiokaavio. 3

4 2. TUTKIMUSEN TAUSTATEKIJÖISTÄ On todettu, että kuulapommituksen tai teräsraesinkouksen intensiteetin ja käsiteltävän kappaleen pintaan muodostuvan jännityksen jännitysprofiilin välillä vallitsee jonkinlainen yhteys. Aikaisempien tutkimusten tulosten perusteella ei voida varmuudella sanoa, onko tämä yhteys sellainen, että intensiteettiä mittaamalla voidaan määrittää myös kappaleen pintajännitysprofiili tai edes jäännösjännitys kappaleen pinnalla? Tämän opinnäytetyön tutkimusongelma voidaan esittää kysymyksenä : Onko teräsraesinkouksen intensiteetin ja valurautakappaleen pintajännitystilan ja pintajännityksen jännitysprofiilin välillä olemassa jonkinlainen yhteys? Aikaisempien tutkimusten perusteella (Herzog R, Zinn W, Scholtes B, Wohlfahrt H 1996) voidaan päätellä teräsraesinkousksen prosessina olevan sellainen, että yksinkertaista ja yksiselitteistä riippuvuussuhdetta Almenmenetelmälllä mitattavan sinkouksen intensiteetin ja sinkouksen jälkeen mitattavan jäännösjännityksen välille ei voida muodostaa. Ei edes siinä tapauksessa, että rajoituttaisiin tarkastelemaan vain yhtä materiaalia. Tämä johtuu siitä, että sinkouksesta johtuva jäännösjännitysjakauma on riippuvainen hyvin monesta eri tekijästä (Prewey 1990,1). Näitä tekijöitä, joita ja joiden vaikutusta on lähes tai täysin mahdonta ennustaa ja hallita ovat mm. rakeen halkaisijajakauma, raemateriaalin koostumus (roskat, pöly, yms.), rakeiden kovuus ja nopeus, kappaleen asento ripustuksessa, kappaleen pinnankarheus ja pintakovuus Edellämainittujen seikkojen vuoksi tämä tutkimus on rajattu koskemaan vain pallografiittivaluraudasta (GJS 700) valmistettua männän helmaosan valua (320A25), tiettyä ripustusmenetelmää ja Componenta Karkkilan BMDriippuratasinkoa. Tutkimuksessa on tarkoitus tutkia, onko singottavan kappaleen pinnan jäännösjännityksen ja sinkouksen intensiteetin välinen riippuvuus sellainen, että sinkouksen aikaansaamaa pintajännitystä voidaan jatkossa seurata vain sinkousintensiteettiä pistokokein mittaamalla.

5 Tarkoitus on myös, että tämän tutkimuksen tuloksia hyödyntämällä Componenta Karkkilalle voitaisiin laatia Componenta Pistonsin valujen sinkousta koskevat laatuohjeet, jotka antavat selkeät toimintaohjeet kappaleiden sinkoamiseksi. Nämä ohjeet voivat sisältää esimerkiksi ohjeistuksen koskien mm. ripustusta, kappaleen käsittelyä, singon parametreja ja sinkoustuloksen silmämääräistä tarkastamista. Näiden laatuohjeiden laatimista ei sisällytetty tähän opinnäytetyöhön. Laadittavien laatuohjeiden tarkoituksena on saada aikaan Componenta Pistonsin valuille yhtenevä ja laadukas sinkouskäsittely. Tämä tarkoittaa mm. sitä, että ripustus tehdään aina samalla tavalla ja sinkouksessa käytetään aina samoja parametreja. Ohjeiden tavoitteena on lisäksi sinkousprosessin nopeutuminen sekä tuottavuuden ja laadun parantuminen.

6 3 SINKOPUHDISTUS 3.1 Menetelmän määrittely Sinkopuhdistus on nopea, tehokas ja taloudellinen puhdistusmenetelmä, jota käytetään valukappaleiden, muototankojen, teräslevyjen sekä hitsattujen monimuotoisten teräskappaleiden puhdistamiseen kiinteissä pintakäsittelylaitoksissa. Tunnetusti nopein ja tehokkain teräsmateriaalien suihkupuhdistusmenetelmä on teräshiekalla tapahtuva sinkopuhdistus. Tässä menetelmässä puhdistusmateriaali singotaan nopeasti pyörivän sinko- eli siipipyörän avulla päin puhdistettavaa pintaa, jolloin ruoste, valssihilse tai vanha maali irtoavat. Kuvassa 2 on esitetty sinkouskoneen toimintaperiaate. Sinkopuhdistuksella saavuteaan helposti ruosteenpoistoasteet Sa 2 1/2 ja Sa 3. (Teräspintojen ruosteenpoiston huolellisuus ilmoitetaan puhdistusasteen avulla (Sa1, Sa2,5, Sa3, St2, St3)). Puhallusmateriaalina voidaan käyttää särmikästä tai pyöreää teräsraetta (myös ruostumattomana) ja lankakatkoa. Saavutettavaa puhdistuasastetta säädellään muuttamalla kuljetusradan nopeutta tai sinkopyörien pyörimisnopeutta. Puhdistuksessa saavutettavan pinnan karheus riippuu monista seikoista. Siihen vaikuttat rakenneaine ja sen ruostumisaste. Mitä ruostuneempaa rakenneaine on, sitä karheampi pinta saadaan puhdistuksen jälkeen. Myös käytetty raemateriaali vaikuttaa puhidstettavan pinnan laatuun. Toiset rakeet työstävät hellävaraisemmin ja aikaansaavat erilaisen profiilin kuin toiset. Pyöreitä rakeita käytettäessä syntyy loivia, aaltomaisia muotoja. Särmikkäät rakeet aiheuttavat jyrkkäprofiilisemman pinnan. Myös raesuihkun suunta ja nopeus sekä suihkutusaika vaikuttavat pinnan karheuteen (Ihalainen, Aaltonen, Aromäki, Sihvonen 1996.)

7 KUVA 2. Sinkopuhdistuskoneen toimintaperiaate (Ihalainen ym.1996,409). Rakeiden sisääntulo on siipipyörän keskeltä. 3.2 Sinkopuhdistuskoneet Sinkopuhdistuskoneet voidaan jakaa kahteen ryhmään. Ensimäiseen pääryhmään kuuluvat ne koneet, joilla puhdistetaan teräsmateriaaleja: muototeräksiä, levyjä, putkia jne. Toiseen ryhmään kuuluvat ne sinkopuhdistuskoneet, joilla pystytään puhdistamaan myös valmiiksi hitsattuja teräsrakenteita ja isompia valukappaleita. Nämä eri ryhmien sinkopuhdistuskoneet poikkeavat toisistaan ainoastaan kokonsa, sinkopyörien lukumäärän ja mahdollisesti kuljetinlaitteistojensa osalta, joten tämän vuoksi voidaankin puhua sinkopuhdistuskoneista yhtenä kokonaisuutena.

8 3.3 Sinkopuhdistuskoneen osakokonaisuudet Tavanomaisissa sinkopuhdistuskoneissa on yleensä seuraavat osakokonaisuudet : suihkupuhdistuskammio, johon sinkopyörät on kiinnitetty eteistunnelit kammion molemmissa päissä kammion alla oleva kokoojasuppilo tai suppilot, joiden pohjassa on ruuvikuljetin kuppielevaattori, joita voi olla myös kaksi teräshiekan puhdistus- ja seulontaosa, alaosa muodostaa puskurivaraston kappaleen kuljetukseen tarvittava kuljetin käyttölaitteineen pölynsuodatin imureineen ja moottoreineen sekä hallintalaitteet, jotka on tavallisesti koottu yhteen pulpettiin Nmä osakokonaisuudet ovat pääpiirteissään kuvattu seuraavassa tekstissä. Sinkopuhdistuskammio Sinkopuhdistuskammio yhdessä sinkopyörien kanssa muodostaa sen osan sinkokonetta, jossa puhdistus tapahtuu. Kammio on levystä muototeräsrunkoon rakennettu laatikkomainen yksikkö, jonka seinät on sisäpuolelta suojattu kulutuslevyillä. Levyt ovat tavallisesti mangaaniterästä ja helposti irrotettavissa. Mangaaniterästä halvemman materiaalin käyttö kulutuslevynä tulee käytössä kalliimmaksi, sillä seiniin kohdistuu jatkuva teräshiekan hakkaava vaikutus, joka kuluttaa levyt nopeasti loppuun. Toisena vaihtoehtona voidaan käyttää kumivuorausta, mutta kumin käyttö on tapauskohtaista.

9 Kammion katossa ja seinissä on sijat sinkopyöriä varten. Kammion seinät voidaan konstruoida liikkuviksi, jolloin sinkopyörien etäisyyttä voidaan säätää optimaaliseksi puhdistettavaan kappaleeseen nähden. Kammion alaosa muodostaa kokoojasuppilon, jonka päällä voi olla ritilälattia. Puhdistuskammion sisäänmeno- ja ulostulopäähän kuuluvat eteistunnelit, jotka ovat niin ikään levyrakennetta. Eteistunneleista on liitäntä pölysuodattimen imukanaville, jotka poistavat puhdistuksessa syntyvän ruostepölyn. Puhdistuskammion ja eteistunneleiden välissä on kumiverho. Samanlainen kumiverho on myös sisäänmeno- ja ulostuloaukoissa. Tässä voidaan käyttää myös muunlaista verhoa, esim. riippuvia kettingin pätkiä, harjaksia, liuku- tai heiluriovia. Eteistunnelin tai ovien tarkoitus on estää teräshiekan kimpoileminen ulos puhdistuskammiosta. Ulostulopuolen eteistunnelissa voi olla myös harjauslaitteet, jotka harjaavat puhdistetun kappaleen pinnalle mahdollisesti jääneen teräshiekan. Vaikeimpien profiilimuotojen harjauksessa voidaan apuna käyttää paineilmasuihkuja. Puhdistettu kappale voidaan myös imuroida puhtaaksi. (Teräsrakenteiden sinkopuhdistus, 2007.) Sinkopyörät Sinkopyörä muodostuu yleensä kahdeksasta siivestä, jotka on kiinnitetty kahden sivulevyn väliin. Sivulevyjen halkaisija on noin 400 mm ja ne on valmistettu erikoisteräksestä ja karkaistu. Siivet ovat tasaiset ja kulutusta kestävästä terässeoksesta valmistettuja, karkaisun jälkeen niiden kovuus ylittää 60 HRC kovuuden. Siipien pintakovuutta voidaan verrata teräshiekan kovuuteen, joka tyypilleisesti saavuttaa arvot 41...49 HRC, erikoistapauksissa jopa 56...60 HRC. Siivet ovat helposti vaihdettavissa, sillä ne on kiinnitetty nopeasti irroitettavien lukitustappien avulla. Siipien kuluminen on ilmeistä, koska teräshiekan rakeet joutuvat liukumaan niitä myöten suurella nopudella.

10 Irtoamisnopeus pyritään pitämään vakiona, ja se on noin 63 m/s luokkaa. Teräshiekan syöttö tapahtuu sinkopyörän keskiöön loivaksi muotoillun syöttöputken kautta. Keskiöön kuuluu kahdeksanreikäinen lieriömäinen hiekankiihdytin, sekä kiinteä jakokappale, jossa on aukko. Hiekankiihdytin on jakokappaleen sisässä. Teräshiekka kulkee syöttökappaleesta hiekankiihdyttimeen ja edelleen kiihdyttimen aukkojen ja jakokappaleen aukon kautta siiville. Jakokappaleen asento määrää raesuihkun suunnan; tämän vuoksi jakokappaletta voidaan kääntää sinkopyörän ulkopuolelta käsin suihkun suuntausta suoritettaessa. Sinkopyörä on sijoitettu koteloon, joka on kiinnitetty puhdistuskammion kuoreen. Sinkopyörän kotelo on sisäpuolelta vuorattu vaihdettavin kulutusta kestävin levyin. Sinkopyörän sivulevy on pultein kiinni navassa, jossa on akseli. Akseli on laakeroitu erikoislaakerein, koska suuri pyörivä massa aiheuttaa värinää pyörän käydessä. Sinkopyörä on tasapainotettu ja tämän lisäksi siivet on tasapainotetut eri painoluokkiin painotoleranssin mukaan. (Teräsrakenteiden sinkopuhdistus, 2007.) Ruuvikuljettimet ja kuppielevaattori Pohjasuppilon alaosaan liittyy kouru, joka on kiinnitetty pultein suppilon alapintaan. Tässä kourussa on ruuvikuljetin, joka siirtää käytetyn puhdistusmateriaalin elevaattorin alapäähän. Elevaattorin kotelo on korkea torni, joka seisoo kaivannon pohjalla. Elevaattorin hihna on kudosvahvistettua kumia, johon kulutusta kestävästä teräksestä valmistetut kupit on kiinnitetty. Hihnan kiristys tapahtuu yläpäässä olevista säätöruuveista. (Teräsrakenteiden sinkopuhdistus, 2007.) Teräshiekan puhdistus ja varastointi Elevaattorin yläpäässä teräshiekka putoaa erityisen portaikon läpi varastosäiliöön. Portaikossa tapahtuu hiekan ilmahuuhtelu pölyn, valssihilseen, muiden kevyiden partikkelien ja liian pieniksi kuluneiden hiekkarakeiden poistamiseksi. Ilmahuuhteluun tarvittava ilmavirtaus

11 saadaan pölynsuodattimen imurista, joka on yhdistetty erottimeen. Ylisuurten partikkelien poistamiseksi teräshiekan seasta käytetään erilaisia seulontamenetelmiä. Varastosäiliöstä, joka toimii eräänlaisena puskurivarastona, johtaa venttiilillä ohjattu syöttöputki jokaiseen sinkopyörään. Teräshiekan syöttö Teräshiekan syöttöputkessa on hiekkaventtiili, joka säädetään kaksitoimisella paineilmasylinterillä. Sylinteri on yhdistetty ilmaletkulla solenoidilla varustettuun paineilmaventtiiliin. Hiekka syöttö aloitetaan kun rajakatkaisija ilmoitaa että kappale on saapunut sinkouskammioona ja heikkasyötön kesto sädetään hallintapulpetissa olevalla aikareleellä. Sinkopyörät pyörivät jatkuvasti, mutta teräshiekan syöttö alkaa vasta, kun työkappale tulee puhdistusalueelle. Portti sulkeutuu automaattisesti, kun työkappale on kulkenut puhdistusalueen ohi. Tällä automaattisella hiekansyöttöjärjestelmällä estetään teräshiekan turha syöttö sinkopyörille ja näin lisätään siipien käyttöikää. Sinkopuhdistuskoneen kuljetinratkaisut Sinkopuhdistuskammion läpimenoon on valittavissa useita kuljetinratkaisuja. Perinteisin niistä on rullakuljetin. Kuljetinrullat on sijoitettu n. 800 mm välein puhdistuskammioon sekä sisäänmeno- ja ulostulopuolen eteisiin. Käyttöön kuuluvat portaattomasti taajuusmuuttajalla säädettävä hammasvaihdemoottori sekä ketjut ja rullissa olevat ketjupyörät. Nopeusalue on normaalisti 0,5...3 m/min. Rullaradan variaatioina voidaan pitää erilaisia hihna- ja ketjukuljettimia. Erillistä läpiajettavaa kuljetinvaunua voidaan pitää parhaana ratkaisuna erityisen raskaille kappaleille. Puhdistettava kappale asetetaan vaunun

12 päälle, joka sitten ajetaan sinkokammion läpi. Vetolaitteena käytetään kuljetinketjua. Varsinkin teräsrakenteiden läpiajoon on paras vaihtoehto riippuratakuljetin, josta esimerkkiratkaisu on esitetty kuvassa 3. Riippurata voi olla läpiajettava tai "Y"-radalla varustettu, jolloin kappaleen syöttö tapahtuu "Y":n yhtä haaraa ja ulostulo toista haaraa myöten. Taajuusmuuttajalla ohjattu riippurata toimii erittäin hyvin myös teräsrakenteiden valmistuksessa tapahtuvissa nostoissa ja helpottaa sinkopuhdistuksen jälkeisen maalauksen suoritusta ja kuivatuksen järjestelyä. Riippuradan nopeusalue sinkopuhdistuskammion kohdalla on taajuusmuuttajalla ohjattuna 0,5...3 m/min ja muualla 10/40 m/min. (Teräsrakenteiden sinkopuhdistus, 2007.) KUVA 3. Riippuratasinko (Carlo Banfi 2007, www.carlobanfi.it).

13 Pölynsuodatin Kaikkiin sinkokoneisiin kuuluu olennaisena osana pölynsuodatin, jossa on mukana puhallin moottoreineen. Pölynsuodattimen tehtävänä on imeä ilmaa puhalluskammiosta, jossa teräshiekan sinkoaminen kohti ruosteista teräspintaa aiheuttaa pölyämistä sekä vetää erotinosasta teräshiekan puhdistuksessa syntynyt pöly ja valssihilse pois. Suodattimen valintaan vaikuttavat mm. vaadittava ilmamäärä, joka vaihtelee rajoissa 5000 m 3 /h aina 30 000 m 3 /h, ulos tulevan ilman puhtausaste (luokkaa 50 mg/m 3 ), suodattimen vaatima tila ja pölyn sekä kuonan poistomahdollisuus. Jos ilma poistetaan ulos, on vastaava ilmamäärä tuotava halliin, jossa sinkolaitos sijaitsee. Toisaalta suodatettu ilma on edullisinta puhaltaa takaisin hallitilaan, jolloin lämmitysenergian hukka pienenee. (Teräsrakenteiden sinkopuhdistus, 2007.)

14 Puhdistusmateriaalit Sinkopuhdistuksessa käytettävä puhdistusmateriaali on pääsääntöisesti terästä. Teräsmateriaalin käyttö on edullista, sillä ne kestävät satoja käyttökertoja kovuudesta ja raekoosta riippuen. Teräsmateriaali-nimikkeen alle mahtuu lukuisia eri raemateriaaleja, joista mainittakoon pyöreä valurautarae (shot) särmikäs valurautarae (grit) lämpökäsitelty valuteräsrae lankakatko (cut steel wire) Näistä materiaaleista sinkopuhdistukseen soveltuvat pyöreä valuteräsrae ø 0,8...1,2 mm ja teräslankakatko. Pyöreän teräshiekan suosiminen sinkopuhdistuksessa johtuu siitä, että sen kuluttava vaikutus koneen osiin on pienempi kuin särmikkäällä rakeella. Lieriömäinen lankakatko on uutena tehokkaampaa kuin pyöreät rakeet, mutta sekin kuluu käytössä pyöreäksi. Myös vaativimpien puhdistusmateriaalien käyttö - kuten ruostumaton lankakatko tai -teräsrae - on täysin mahdollista silloin, kun puhdistettavan kappaleen ominaisuudet sitä vaativat. (Teräsrakenteiden sinkopuhdistus, 2007.) Sinkopuhdistuksen edut Sinkopuhdistus on huomattavasti nopeampi puhdistusmenetelmä kuin perinteinen käsin tapahtuva hiekkapuhallus. Yhden sinkopyörän teoreettinen puhdistusteho on keskimäärin 1,5 m 2 /min, josta käyttöasteella 0,8 saadaan tehoksi 72 m 2 /h. Kun puhdistettava pinta-ala kerrotaan sinkopyörien lukumäärällä (joita tavallisesti on 4...10) saadaan varsin kunnioitettava puhdistusteho. Kun lukuja vielä vertaa siihen, että 1 mies hiekkapuhaltaa Sa2 pintaa n.15...20 m 2 mustaa terästä /h, havaitaan sinkopuhdistuksen

15 edullisuus. Sinkopuhdistuksessa saavutetaan helposti ruosteenpoistoasteet Sa2 1/2 ja Sa 2. Sinkopuhdistuslaitteisto voidaan sijoittaa vapaasti hallitiloihin tai ulos katokseen, eikä ympäristöltä vaadita mitään erityisolosuhteita. Lisäksi sinkopuhdistus on parhaassa tapauksessa täysin automatisoitavissa, jolloin sen käyttö ei sido kuin korkeintaan huoltohenkilön. (Teräsrakenteiden sinkopuhdistus, 2007.)

16 4 VALURAUDAT KONSTRUKTIOMATERIAALINA Vaikka valuraudoiksi luokitellaan kaikki rauta-hiili-seokset, joissa on enemmän kuin 2.11% hiiltä, niiden hiilipitoisuus pysyttelee yleensä välillä 2.4-3.6%, joten ne eroavat teräksistä selvästi. Lisäksi valuraudassa on välttämättömänä seosaineena piitä, tavallisesti 1-3%, sekä usein myös fosforia runsaammin kuin teräksessä, 0.1-1%, ja siinä voi olla rikkiä aina 0.15%:iin saakka. Seostetuissa valuraudoissa käytetään edelleen samoja seosaineita kuin teräksessäkin, siis mangaania, nikkeliä, kromia, molybdeenia, kuparia jne. Hiilipitoisuus on korkeampi kuin mitä rauta pystyy liuottamaan. Tästä johtuen valuraudoissa on metalliseen, teräksen kaltaiseen perusmassaan eli matriisiin jakautuneena hiilivaltaisia faaseja tai yhdisteitä: grafiittia tai karbideja. Valuraudat eroavatkin teräksistä metallurgisesti siinä, että teräkset voidaan saattaa kiinteässä tilassa tietyssä korotetussa lämpötilassa kokonaan austeniittisiksi, mutta valuraudassa on kiinteässä tilassa lämpötilan korottamisestakin huolimatta aina läsnä joko metastabiileja karbideja tai stabiilia grafiittia. Valurauta sisältää siis tyypillisesti noin 3 massaprosenttia grafiittia. Tämä tarkoittaa, että grafiitin osuus raudan tilavuudesta on noin 9 prosenttia, koska grafiitin tiheys on vain 2.2 kg/dm 3. Grafiittisulkeumien muoto, koko ja jakautumismalli vaikuttavat oleellisesti valuraudan ominaisuuksiin, koska grafiitilla on matriisiin verrattuna pieni vetomurtolujuus, pieni sitkeys ja ja olematon muodonmuutoskyky. Valurautojen pääryhmittely perustuukin grafiittisulkeumien muotoon. Grafiittisulkeumien perusteella valuraudat voidaan jakaa viiteen pääryhmään. (Lindroos, Sulonen, Veistinen 1986.)

17 4.1 Harmaaraudat, eli suomugrafiittiraudat Suomugrafiittirauta on vähitellen menettänyt asemiaan valurautojen ja valumetallien valtamateriaalina, mutta on edelleenkin käytetyin valumetalli mm. alhaisten valmistuskustannusten, erinomaisten valu- ja työstettävyysominaisuuksien, hyvien värähtelyjen vaimennus- ja lämmönjohtavuusominaisuuksien sekä tiettyjen tribologisten ja fysikaalisten erikoisominaisuuksien ansiosta. Suomugrafiittivaluraudassa grafiitti esiintyy suomumaisina grafiittierkaumina. Grafiittisuomut ovat kolmiulotteisesti tarkastellen keskenään läheisessä yhteydessä ns. grafiittiruusukkeen puitteissa. Siten suurehko grafiittisuomujen ryhmä muodostaa yhdessä laajahkon mutta mekaanisesti heikon mikrorakenteellisen alueen, ja mekaaniset kuormitukset jäävätkin oleellisesti ottaen grafiittiruusukkeiden välisten kapeiden matriisikannasten varaan. Matriisin tyypistä riippumatta suomugrafiittivaluraudat ovat aina hauraita, mikä onkin niiden käyttöaluetta rajoittavista tekijöistä tärkein. Tästä huolimatta niitä hyödynnetään myös ankarasti mekaanisesti, tribologisesti ja termisesti kuormitetuissa kohteissa kuten mm. polttomoottorien sylinterinkansissa ja -holkeissa. Suomugrafiittirautojen lujuuteen vaikuttavat sen kemiallinen koostumus, jäähtymisnopeus ja grafiittirakenteen hienous. Suomugrafiittirauta on seinämäherkkä valumateriaali. Seinämäherkkyydellä tarkoitetaan lujuusominaisuuksien (ja muidenkin ominaisuuksien) riippuvuutta valun koosta ja seinämänpaksuudesta. Paksut seinämät ja ainekeskittymät jäähtyvät ja jähmettyvät hitaasti, minkä vuoksi niihin syntyy helposti karkeampi grafiittirakenne ja runsaammin ferriittiä, mikä antaa huonommat mekaaniset ominaisuudet. Toisaalta myös nopeasti jäähtyviin (ohuisiin tai nurkka-) kohtiin saattaa syntyä karbideja. Samasta sulasta valetun suomugrafiittivaluraudan mekaaniset ominaisuudet riippuvat siten valun koosta ja paikallisesta seinämänpaksuudesta. Raudan nimellinen

18 lujuusluokka ei siten kerro suoraan odotettavissa olevista paikallisista ominaisuuksista, vaan ne on erikseen arvioitava lujuusluokan ja paikallisten olosuhteiden perusteella. Suomugrafiittivaluraudan grafiittirakenteeseen liittyvää seinämäherkkyyttä vastaan taistellaan ensisijaisesti ymppäyksellä. Grafiittirakenteen vaihteluja ei voida korjata valun jälkeen lämpökäsittelyillä tehokkaasti. (Valukappaleet koneistuksen kannalta 2006.) 4.2 Pallografittiraudat, eli SG-raudat Pallografiittirauta kehitettiin alunperin jo 1940-luvulla, mutta löi itsensä kaupallisesti läpi vasta paljon myöhemmin ja sen käytön kasvu jatkuu edelleenkin mm. temper- ja suomugrafiittivalurautojen kustannuksella, mutta osin myös teräsvaluja ja -rakenteita korvaten. Pallografiittivaluraudassa grafiitti on satunnaisesti jakaantuneina erillisinä pallomaisina partikkeleina raudan matriisissa ja vaikuttaa huomattavasti vähemmän epäedullisesti valuraudan mekaanisiin ominaisuuksiin kuin suomu- tai tylppägrafiitti. Niinpä huokeiden ja hyvin valettavien pallografiittivalurautojen mekaaniset ominaisuudet ovat rakenne- ja koneterästen luokkaa ja ylikin. Grafiitti saadaan palloutumaan käsittelemällä sulaa valurautaa ennen ymppäystä ja valua erityisellä palloutusaineella. Käsittelyaineita ja - tekniikoita on useita, mutta kaikissa tarkoituksena on saada jähmettymisen yhteydessä kiteytyvä grafiitti kasvamaan edulliseen pallomaiseen muotoon. Käsittelyaineen magnesium reagoi myös raudassa olevan rikin kanssa, minkä vuoksi pallografiittirautaa valmistettaessa sulan rikkipitoisuus pyritään pitämään hallinnassa palloutusmenetelmän edellyttämällä tasolla (yleensä < 0,02% S). Magnesiumsulfidin muodostuksen lisäksi osa Mg-lisäyksestä palaa voimakkaassa reaktiossa oksidiksi. Palloutumisen onnistumiseksi on palloutusta häiritsevien alkuaineiden (mm. Pb ja Al) määrän oltava sulassa riittävän alhainen, mikä mm. rajoittaa epäpuhtaan kiertoromun käyttöä

19 sulatuksessa. Mg on voimakkaasti karbidoiva aine, joten palloutuskäsitelty rauta on tarpeen ympätä tehokkaasti. Grafiittipallojen korkea palloutumisaste ja pieni koko parantavat mekaanisia ominaisuuksia. Kun palloutus on onnistunut ja pallomainen grafiittirakenne on korkealuokkainen, pallografiittivaluraudan ominaisuudet ja käyttäytyminen määräytyvät pitkälti myös matriisin rakenteen ja ominaisuuksien perusteella. Runsaalla seostuksella voidaan pallografiittirautaan tuottaa myös erikoisominaisuuksia. (Valukappaleet koneistuksen kannalta 2006.) Pallografiittivaluraudan huomattavasti vähäisempi seinämäherkkyys verrattuna suomugrafiitti rautaan liittyy ensisijaisesti valussa määräytyvään matriisin tyyppiin, mihin taasen voidaan vaikuttaa myös valun jälkeisin lämpökäsittelyin, esim. ns. normalisointikäsittelyllä 4.3 Tylppägrafiittiraudat Tylppägrafiittia on aina esiintynyt pallografiittivaluraudoissa etenkin epätäydellisen palloutuksen seurauksena. Kiinnostus kontrolloidusti tylppägrafiittisena valetun raudan ominaisuuksiin heräsi kuitenkin vasta paljon sen havaitsemista myöhemmin ja käytännössä toimivat menetelmät tylppägrafiittivaluraudan kontrolloituun valmistukseen on kehitetty vasta viimeisen 10-20 vuoden aikana. Jotta lopulliseen rakenteeseen saataisiin pallotuskäsittelyssä tuotettua tylppägrafiittirautaa, lämpötilaltaan ja puhtaudeltaan kontrolloituun sulaan on lisättävä tarkalleen hallittu määrä grafiitin palloutumista häiritseviä aineita (esim. Ti). Koska sulan epäpuhtautena esiintyvä rikki haittaa myös palloutusta, on rikin määrä myös oltava hyvin hallittu ja tätä voidaankin osaltaan hyödyntää tylppägrafiittisen mikrorakenteen saavuttamisessa. Tylppägrafiitin muotoa voidaan kuvata reunoiltaan pyöristyneeksi suomugrafiitiksi. Tylppägrafiittivaluraudan mikrorakenteessa on aina myös

20 jonkun verran pallo- ja suomugrafiittia. Nämä vaikuttavat kuitenkin voimakkaasti ominaisuuksiin ja siksi niiden määrää on pakko hallita ja rajoittaa. Ominaisuuksiensa puolesta tylppägrafiittirautaa voidaan pitää palloutumisasteensa mukaan pallo- ja suomugrafiittivaluraudan välimuotona. Erityisesti palloutumisasteen noustessa lähelle pallografiittivalurautaa tylppägrafiittivaluraudan mekaaniset ominaisuudet paranevat ja kimmokerroin kasvaa nopeasti, mutta esim. lämmönjohtavuus laskee. Tylppägrafiittivaluraudan termisten shokkien kestävyys on hyvä, koska sen termiset ominaisuudet ovat lähellä ja mekaaninen kestävyys kuitenkin parempi kuin suomugrafiittivaluraudalla. Samalla puhtaasti termisten shokkien kestävyys ja myös vaimennuskyky ovat paremmat kuin pallografiittivaluraudoilla. Tylppägrafiittivalurautaa hyödynnetäänkin mm. termisesti rasitetuissa käyttökohteissa haluttaessa suomugrafiittivalurautaa parempi kestävyys mekaanisille rasituksille. Tonnimääräisesti tylppägrafiittivaluraudan suurimman käyttöalan muodostavat terästehtaiden valukokillit. Muita sovelluksia ovat olleet mm. moottorien sylinteriryhmät ja rungot, pumpun pesät, vaihdelaatikoiden rungot ja kannet, kampikammiot, napa-, vauhti- ja ketjupyörät, kytkinlevyt, hydrauliikkakomponentit, neste- ja kaasusylinterit, Wankel-moottoreiden pyörivät männät sekä turboahdinten rungot ja männänrenkaat, joissa kaikissa haetaan ominaisuuskombinaatioita, joita pallo- tai suomugrafiittivaluraudat eivät kykene tarjoamaan. (Valukappaleet koneistuksen kannalta 2006.) 4.4 Adusoidut valuraudat, eli temperraudat Tempervaluraudat muistuttava ominaisuuksiltaan läheisesti pallografiittivalurautoja. Niiden käyttö onkin jatkuvasti vähentynyt pallografiittivaluraudan vallatessa niiden tärkeimpiä sovellusalueita. Tempervaluja valettaessa valurauta jähmetetään ensin valkoiseksi (so. täysin karbidiseksi eli ledeburiittiseksi). Koska kappaleiden on oltava "läpeensä valkoisia", temperraudasta valettavien kappaleiden koko on

21 rajoitettu (massa < 15 kg ja seinämänpaksuus << 50 mm). Valun jälkeen kappaleille suoritetaan halutun lujuusluokan ja temperrautatyypin mukainen pitkä lämpökäsittely, adusointi, jonka yhteydessä karbideiksi sitoutunut hiili erkautuu matriisista kerämäisiksi grafiittierkaumiksi. Ns. mustaydintemperrautaa valmistetaan suorittamalla em. adusointihehkutus neutraalissa atmosfäärissä. Mustaydintemperraudan mikrorakenne on erinomaisen tasalaatuinen läpi kappaleena. Valkoydintemperrautavalut käsitellään hiilenkatoa aiheuttavassa atmosfäärissä. Tämän seurauksena pintakerrokseen ja ohuisiin seinämiin ei muodostu grafiittia, vaan ne vastaavat käsittelyn jälkeen mikrorakenteeltaan pikemminkin (pehmeää) ferriittistä terästä. Grafiitittoman pintakerroksen ja ohuiden seinämien osalta valkoydintempervalut ovatkin myös hyvin hitsattavia, toisin kuin valuraudat yleensä. Tätä on hyödynnetty mm. hitsattavaksi tarkoitettujen pienehköjen valukomponenttien valmistuksessa esim. ajoneuvoteollisuuden tarpeisiin. Tempervaluraudan matriisin tyyppi ja siten myös lujuusluokka määräytyy ensisijaisesti adusointikäsittelyn jälkeisen jäähtymisnopeuden mukaan. Eri lujuusluokkiin adusoitavat temperraudat voidaan siten valaa samasta perussulasta. Adusoitua rautaa käytetään yleensä suursarjatuotannossa kulkuväline- ja sähköteollisuudessa etuinaan hyvä työstettävyys, alhainen transitiolämpötila sekä hyvä vaimennuskyky, kutakuinkin pallografiittivalurautaa vastaavat mekaaniset ominaisuudet sekä valkoydintemperraudan tapauksessa myös hyvä hitsattavuus. Kokonaistuotanto on kuitenkin laskenut viimeisten vuosikymmenten ajan (ilman adusointia valmistettavan) pallografiittivaluraudan suosion kasvaessa. (Valukappaleet koneistuksen kannalta 2006.)

22 4.5 Valkoiset valuraudat Valkoinen valurauta on valurautojen erikoistapaus, jossa ei esiinny ollenkaan grafiittia vapaana. Valkoisten valurautojen ryhmänimitys aiheutuu murtopinnan vaaleasta, teräksenkaltaisesta väristä. Niiden raerakenne on grafiititon johtuen siitä, että grafiitin muodostus kiteytymisen yhteydessä on estetty: nopealla jäähdytyksellä metastabiilia jähmettymistä suosivan matalan hiiliekvivalenttiarvon valinnalla karbidoivia seosaineita käyttämällä. Seokseen sisältyvä hiili esiintyy näissä raudoissa kemiallisesti sidottuina karbideina, pääasiallisesti rautakarbideina Fe 3 C tai karbideja muodostavia seosaineita käytettäessä näiden ja raudan sekakarbideina. Karbidisesta rakenteesta johtuen ovat valkoiset valuraudat kovia ja vaikeasti työstettäviä seoksia, jonka takia niillä on suhteellisen vähän teknistä käyttöä. Ne ovat myös iskuhauraita huoneenlämpötilassa sekä herkkiä äkillisille lämpötilan muutoksille. Niiden käyttö koneenrakennuksessa rajoittuu siksi tarkoituksiin, joissa käytönvalinnan perusteena ovat suuri kulutuskestävyys, kemiallinen kestävyys tai tulenkestävyys. Valkoinen valurauta on myös lähtökohtana ns. adusoidulle eli tempervaluraudalle. (Valukappaleet koneistuksen kannalta 2006.) 4.6 Valuraudan grafiittirakenne Hiilen esiintymistapa määräytyy valuraudan jähmettymisen yhteydessä, ja siihen voidaan vaikuttaa koostumuksella, jossain määrin valun ja valujärjestelyn suunnittelulla sekä erityisesti sulankäsittelyllä (ymppäyksellä ja palloutuskäsittelyllä), muttei pääsääntöisesti enää valun jälkeen (poikkeuksena tempervaluraudan adusointi).

23 Sula valurauta sisältää runsaasti hiiltä eikä kaikki hiili voi jähmettymisen yhteydessä jäädä valuraudan metalliseen matriisiin. Sula valurauta jähmettyy jähmettymisolosuhteista riippuen siten paitsi austeniitiksi - austeniitin ohella myös joko grafiitiksi tai karbideiksi. Kuvassa 4 on esitetty rauta-hiili-tasapainopiirros. Jähmettyminen alkaa yleensä ensin austeniitin kiteytymisellä sulasta (ns. dendriitteinä). Jäähtymisen edetessä, jähmettyneen ns. esieutektisen austeniitin määrän kasvaessa ja raudan saavuttaessa (stabiilin tasapainosysteemin mukaisen) eutektisen lämpötilan jäljellä oleva sula muuttuu eutektisessa reaktiossa grafiitiksi ja austeniitiksi. Grafiitin kiteytyminen sulasta mahdollistuu periaatteessa stabiilin systeemin mukaisessa eutektisessa lämpötilassa (T Es ) ennen (so. korkeammassa lämpötilassa) kuin karbidien muodostuminen. Kun eutektinen reaktio ja grafiitin kiteytyminen käynnistyy, vapautuu lämpöä ja valoksen (paikallinen) jäähtyminen pysähtyy tai ainakin hidastuu reaktion ajaksi. Näin valos ei välttämättä saavuta metastabiilin tasapainosysteemin mukaista eutektista lämpötilaa (T Em ), jossa karbidien muodostuminen mahdollistuu, ennen kuin kaikki loppusula on jo muuttunut kiinteäksi austeniitti-grafiitti-faasiseokseksi. Tällä tavoin mikrorakenteeseen syntyy jo olemassa olevien austeniittialueiden väliin vain austeniittia ja grafiittia. Grafiitin kiteytyminen voi kuitenkin olla estynyt tai ulkoinen jäähdytysvaikutus olla niin suuri, että valos tai sen tietty kohta ehtii alijäähtyä ennen eutektisen reaktion käynnistymistä riittävän suurella voimalla. Alijäähtymisen ansiosta saavutetaan metastabiilin rauta-karbidi-systeemin mukainen karbidien muodostumisen lämpötila (T Em ) ennen kuin grafiitin kiteytyminen pääsee käyntiin. Tällöin alkaa raudan karbidien kiteytyminen, mikä tapahtuu kineettisesti helpommin kuin grafiitin kiteytyminen. Tilanteeseen vaikuttavat myös grafitoiva (esim. Ni, Cu) tai karbidoiva (esim. Cr, Mo, V) seostus. Seosaineet suosivat sulassa olevan hiilen kiteytymistä joko grafiitiksi tai sementiitiksi vaikuttamalla grafiitin ja karbidien muodostumisen lämpötiloihin ts. siihen, miten suuri em. reaktio-lämpötilojen väli (T Es -T Em ) on ts. miten suuri alijäähtyminen tarvitaan karbidien syntymiseen.

24 KUVA 4. Rauta-hiili -tasapainopiirros, rautapitoinen puoli (Teräs 2007, www.wikipedia.org). Nopea jäähtyminen ja heikot grafiitin kiteytymisedellytykset avustavat alijäähtymistä ja edistävät siten karbidisuutta. Käytännön valuissa edellytykset karbidien muodostumiselle helpottuvat suurella jäähtymisnopeudella sekä alhaisella piipitoisuudella ja karbideja suosivalla seostuksella. Täysin karbidista valkoisen valuraudan mikrorakennetta nimitetään ledeburiitiksi. Siinä loppusulasta muodostuva hauras karbidiausteniitti-rakenne muodostaa yhtenäisen matriisin tätä aiemmin korkeammassa lämpötilassa muodostuneelle austeniitille. Näin ledeburiittinen mikrorakenne on kova ja hauras. Tarkoituksellinen täysin valkoisena jähmettyminen saavutetaan, kun sulassa ei ole grafiitin kiteytymisytimiä, piipitoisuus on alhainen, jäähtymisnopeus on suuri ja/tai seostus on karbidoiva. Osittaista karbidisuutta esiintyy usein myös pääosin grafiittisena jähmettyneissä valuissa. Koska jäähtymisnopeus on valun paikalliseen jäähtymiseen vaikuttavista tekijöistä riippuvainen, on alijäähtymisenkin tapahtuminen valukappaleesta ja sen muotoilusta

25 riippuva. Rautavalukappaleessa voi siten olla paikallisia nopeasti jäähtyneitä kohtia, joissa jähmettyminen on tapahtunut osittain tai kokonaan karbidisena, mikä voi osoittautua suureksi ongelmaksi esim. työstettäessä. Hiilen kiteytyminen austeniitista grafiitiksi voidaan varmistaa tehokkaalla ymppäyksellä. Ymppäyksen on tarkoitus paitsi varmistaa grafiittisuus myös saada aikaan runsas, tasainen ja hienorakenteinen grafiittijakauma. Tällöin stabiilin systeemin mukainen eutektinen reaktio käynnistyy herkästi eikä jäähtymiskäyrä ehdi painua metastabiiliin reaktiolämpötilaan ennen grafiitin kiteytymistä. Ymppäyksellä minimoidaan myös tehokkaasti seinämäherkkyyttä. Grafiitti on mekaanisesti heikkoa sekä sisäiseltä rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan suuntautunutta (anisotrooppista). Tämä vaikuttaa monin tavoin valurautojen mekaanisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin. Grafiitti saattaa esiintymistavastaan riippuen vaikuttaa mm. valuraudan lujuuteen, sitkeyteen, murtumis- ja väsymisominaisuuksiin, lastuttavuuteen, termisiin ominaisuuksiin ja värähtelyjen vaimennuskykyyn sekä tiettyihin kulumisominaisuuksiin. Erityisesti esiintyessään suurina suomuina grafiitti heikentää mekaanisia ominaisuuksia, mikä näkyy sekä lujuudessa että sitkeydessä ja myös alhaisena kimmokertoimena, mutta saa toisaalta aikaan hyvän vaimennuskyvyn, lämmönjohtavuuden ja lastuttavuuden. Grafiittisuuteen ja grafiitin hienojakoisuuteen pyritään vaikuttamaan edellä mainitulla ymppäyskäsittelyllä. Grafiitin muotoon taasen vaikutetaan palloutuskäsittelyllä. Käsittelemätön valurauta jähmettyy joko valkoisena (karbidisena) tai karkeana suomugrafiittisena. Palloutuskäsittelyssä sulaan lisätään kuitenkin (esim. Mg- tai Ce-pohjaisia) palloutusaineita, jotka ohjaavat grafiittiytimen kasvutapaa jähmettymisen edetessä. Sopiva palloutusainemäärä yhdessä sopivan valulämpötilan ja riittävän puhtaan sulan kanssa sekä yhdistettynä tehokkaaseen ymppäykseen tuottaa tasalaatuisen ja hienojakoisen, eli palloutumisasteeltaan ja palloluvultaan [palloja/mm 2 ] korkean, pallografiittirakenteen, minkä avulla saavutetaan valuraudoista parhaat mekaaniset ominaisuudet. (Valukappaleet koneistuksen kannalta 2006.)

26 5 MATERIAALIN VÄSYMINEN Joutuessaan toistuvasti vaihto- tai tykytysrasituksen alaiseksi koneenosa voi murtua, vaikka yhden jännitysjakson aikainen maksimijännitys on huomattavasti vetokokein määriteltyä murto- tai jopa myötölujuuttakin pienempi, kun jännitysvaihteluiden lukumäärä kasvaa riittävän suureksi. Tällaista murtumaa sanotaan väsymismurtumaksi. Se poikkeaa staattisen jännityksen aiheuttamasta murtumasta siinä, ettei siihen liity makroskooppisesti havaittavaa plastista muodonmuutosta. Vaikka väsymisen yhteydessä ei todetakaan makroskooppisesti havaittavaa pysyvää muodonmuutosta, sitä havaitaan kuitenkin mikroskoopilla silloinkin, kun keskimääräinen jännitys pysyy myötölujuutta pienempänä. Tämä selittyy sillä, ettei metallin rakenne ole milloinkaan täysin homogeeninen, joten siihen aina kehittyy jännityshuippuja, jotka ylittävät keskimääräisen jännityksen. Nimenomaan monirakeisessa metallissa on aina myös kiteitä, joiden liukutasot ja suunnat ovat siirrosliukumiseen nähden edullisemmissa asennoissa kuin muiden. Näin voimme ymmärtää sen, että yksittäisissä kiteissä voi tapahtua plastista muodonmuutosta myös silloin, kun jännitys on niin pieni, että kiteiden enemmistö käyttäytyy kimmoisesti. Metallissa on paikallisia jännityshuippuja, joista särönmuodostus alkaa jännityksen kohdistuessa tarpeeksi usein samaan kohtaan. Tyypillinen väsymismurtuma on esitetty kuvassa 5. Siitä voidaan havaita särön alkamiskohta eli ydintymiskohta, josta murtuma etenee aaltomaisesti. Väsymismurtuma-alue on pinnaltaan sileä ja hienorakeiselta vaikuttava. Siinä näkyy usein ns. lepoviivoja eli pysähtymisjälkiä, joiden kohdalla repeäminen on joksikin aikaa syystä tai toisesta pysähtynyt. Väsymismurtuman laajennuttua niin suureksi, ettei ehjä poikkipinta-ala kykene enää kantamaan rasittavaa kuormaa, se murtuu kokonaisuudessaan yhdellä kertaa. Seurauksena on lopullisen murtuman alue, eli ns. jäännösmurtuma-alue.

27 KUVA 5. Tyypillinen väsymismurtuman eteneminen akselissa (Materiaalit ja niiden valinta 2004.) Murtumapintojen suhteesta voidaan päätellä onko osan nimellisjännitys ollut suuri vai pieni. Jännitys on ollut suuri, jos jäännösmurtuma-alue on suuri verrattuna väsymismurtuma-alueeseen. Myös väsymismurtuma-alueen koosta ja säröjen alkamiskohtien määrästä voidaan päätellä jännityksen laatu ja konstruktiosta johtuvien jännityshuippujen suuruus. Väsytyskoe - väsymislujuus Väsymismurtumia aiheuttavat käytännössä ennen kaikkea taivutusjännitykset. Kun taivutustapaus on lisäksi kaikkein helpoimmin tulkittavissa, suoritetaan myös väsytyskokeet yleensä taivutusjännityksillä. Ne tehdään tavallisesti kuormittamalla laakereiden varassa pyöriviä pyöreitä koesauvoja poikittaisvoimilla, jolloin sauvaan kehittyy kokeessa puhdasta vaihtojännitystä joka vaihtelee yhtä suurena sekä veto- että puristusjännityksessä. Väsytyskokeessa käytettävä pyörivä koesauva on pinnastaan kiillotettu ja siinä esiintyvää jännityksen maksimiarvoa kutsutaan jännitysamplitudiksi. Kun väsytyskoesarja tehdään riittävän isolla sauvamäärällä (min 10kpl) ja kuormaa sekä jännitysamplitudia vaihdellaan, saadaan aikaan Wöhlerin käyrä eli ns. S/N-käyrä. Ko. käyrässä

28 pystyakselina on jännitysamplitudi ja vaaka-akselina kestoluku, joka ilmoittaa jännitysvaihteluiden määrän eli väsytyskokeessa tapahtuneen sauvan pyörähdysten määrän ennen sauvan katkeamista. Kestolukuakseli, eli N-akseli on yleensä logaritminen. Wöhlerin käyrään merkitään tavallisesti ns. vaurioviiva, joka ilmaisee hetken, jolloin ensimmäinen väsymissärö alkaa muodostua. Siten väsymismurtuma etenee käyrien välisellä alueella eli vaurioalueella, kunnes Wöhlerin käyrän kohdalla tapahtuu lopullinen jäännösmurtuma. Katso kuva 6. (Laitinen, Niinimäki, Tiainen, Tiilikka, Tuomikoski, Koivisto 1997.) KUVA 6. Wöhlerin käyrä (Laitinen ym. 1997). Terästen väsymisraja σ D (kuva 6) on sellainen jännitysamplitudi jonka metalli kestää rajattoman pitkän ajan. Väsymisraja ei enää laske kuormanvaihtoluvun 10 7 jälkeen, minkä vuoksi terästen väsytyskoe keskeytetään kestoluvun 10 7 kohdalla. Sen sijaan muille materiaaleille ei löydy vastaavanlaista raja-arvoa, vaan Wöhlerin käyrä alenee jatkuvasti kestoluvun kasvaessa ja niiden väsymislujuus ilmoitetaan ns. kestorajana. Esimerkiksi σ 7 10 ilmaisee, että jännitysamplitudi kestoluvun 10 7 kohdalta. Toinen käytössä oleva kestoluku on 10 8. Tällöin kestorajaksi merkitään σ 8 10. Väsymislujuus ei ole ainevakio vetolujuuden tapaan. Väsytyskokeissa aikaansaatu koetulos pätee vain kiillotettuihin koesauvoihin. Tarvittaessa

29 lujuuslaskennan yhteydessä esim. laskennan kohteena olevan kappaleen poikkeava pinnanlaatu otetaan laskennassa huomioon ns. pintakerrointa käyttämällä. Koneenosissa ja laitteissa väsymislujuuteen vaikuttavia seikkoja ovat mm. kappaleen koko, pinnanlaatu, jännityshuippuja aiheuttavat kolot (esim. kiilaurat) ja olakkeet sekä syövyttävä toimintaympäristö. Lisäksi kappaleen pinnan vetojännitys heikentää väsymislujuutta tuntuvasti. Yksi todistetusti tehokas keino väsymislujuuden parantamiseksi on puristusjännityksen aikaansaaminen kappaleen pintaan. (Laitinen ym. 1997,26.) Tässä yhteydessä on syytä mainita, että pyörivä taivutus on väsytysmenetelmänä väistymässä resonanssikoneiden vallatessa alaa. Tämä johtuu siitä, että resonanssikoneet ovat huomattavan paljon nopeampia kuin pyörivään taivutukseen perustuvat koneet ja näin ollen suurten kestolukujen väsytykokeissa ko. kone on tehokkaampi. Puhdasta taivutusta käytetään väsytykokeissa erittäin harvoin, koska puhtaaseen taivuttamiseen perustuva väsytyskoe on erittäin hidas toteuttaa.

30 6 JÄÄNNÖSJÄNNITYKSET Jäännösjännityksiä muodostuu materiaaliin, kun sen osissa tapahtuu eriaikaisia ja/tai erisuuruisia tilavuuden ja muodonmuutoksia. Tilavuuden- ja muodonmuutokset tapahtuvat mekaanisten tai termisten jännitysten aiheuttaman plastisen deformaation tai faasimuutosten seurauksena. Esimerkiksi, jos ainoastaan metallin pintaa muokataan, laajenee se sisustaan nähden. Koska eri osien välisen yhteyden pitää säilyä, aiheuttaa muokkautumaton sisus pintaan puristusjännityksen ja sisustaan muodostuu vastaavasti vetojännitys. Samoin kappaleen eriaikainen jäähtyminen aiheuttaa siihen jäännösjännityksiä. Edelleen eriaikainen martensiittimuutos tai ainoastaan pinnan karkeneminen synnyttävät akselin pintaan joko vetotai puristusjännityksen. Toisaalta terästen karkaisussa pinnassa tapahtuva hiilenkato pienentää muodostuvan martensiitin ominaistilavuutta ja aiheuttaa usein jopa ferriitin muodostumista pintaan. Tällöin hiilenkadon seurauksena pintaan muodostuu vetojäännösjännitys, joka yhdessä alentuneen pintakovuuden kanssa heikentää erityisesti väsymiskestävyyttä. Teräksen hiiletyskarkaisussa, liekki- ja induktiokarkaisussa ja typetyskarkaisussa, joissa pinta laajenee sisustaan nähden, muodostuu pintaan sen sijaan puristusjännitystila. Samoin tapahtuu metallin kuulapuhalluksessa, jossa pintaa muokataan puhaltamalla sitä esimerkiksi lasi- tai teräskuulilla. Myös tuotteen hionta aiheuttaa pintaan jäännösjännityksen, joka hiontaprosessista riippuen voi olla joko puristus- tai vetojäännösjännitystä. Edelleen teräksessä olevat sulkeumat aiheuttavat ympärilleen joko veto- tai puristusjännitystilan riippuen sulkeumien tilavuuden lämpötilakertoimesta matriisin arvoon verrattuna. Jäännösjännitysten muodostumiselta ei voida välttyä myöskään hitsauksessa, jossa jäännösjännitykset aiheutuvat usein sekä plastisen muodonmuutoksen että faasimuutoksiin liittyvien tilavuusmuutosten tuloksena. Jäännösjännitykset voivat olla suuruudeltaan aina materiaalin myötölujuuden suuruisia, kuten esimerkiksi hitsausjäännösjännityksistä hitsin suuntaiset pitkittäiset vetojännitykset usein ovat. (Lindroos ym. 1986)

31 Jäännösjännitykset voivat olla tuotteen käytön kannalta joko hyödyllisiä tai haitallisia riippuen jännityksen luonteesta. Yleensä tuotteen pinnalla vallitseva vetojäännösjännitystila on haitallinen ja puristusjäännösjännitystila edullinen. Muun muassa on havaittu, että jännityskorroosiotapauksissa suurin osa vaurioista on vetojäännösjännitysten aiheuttamia. Vetojäännösjännitykset lisäävät myös haurasmurtumavaaraa ja ovat haitallisia väsymiskestävyyden kannalta. Väsymiskuormituksessa ne nostavat ensinnäkin keskijännitystä, jolloin väsymissärö kasvaa nopeammin. Lisäksi pinnan vetojäännösjännitystilan seurauksena voi tapahtua väsymismurtuman ydintyminen ja etenemistä, vaikka ulkoinen vaihtokuormitus olisi puristustakin. Vastaavasti pinnan puristusjännitystila parantaa väsymiskestävyyttä suuren kuormanvaihtoluvun väsytyksessä, jolloin väsymissärön ydintyminen vaikeutuu. Sen sijaan alhaisen kuormanvaihtoluvun väsytyksen alueella, jossa venymäamplitudi on suuri ja ydintymisen osuus kokonaisväsymiseliniästä pieni, pinnan puristusjännitystilan vaikutus väsymiskestävyyteen on vähäinen. Edelleen teräksessä olevat sulkeumat, joiden ympärillä on vetojännitystila, helpottavat väsymismurtuman ydintymistä korkean kuormanvaihtoluvun väsytyksessä ja voivat alentaa väsymiskestoikää huomattavasti. Tuotteen pintaan voidaan muodostaa puristusjännitystila usealla tavalla ja näin parantaa tuotteen kestävyyttä jännityksen alaisena. Esimerkiksi hiiletys- ja typetyskarkaisulla saadaan pintaan puristusjännitystila suuren pintakovuuden lisäksi ja väsymiskestävyys suuren kuormanvaihtoluvun väsytyksessä paranee huomattavasti. Samoin kuulapuhallus parantaa väsymiskestävyyttä merkittävästi ja sitä suositellaan usein suoritettavaksi jopa hiiletyskarkaistuille kappaleille. Taulukossa 1 on tarkasteltu kuulapuhalluksen vaikutusta eräiden tuotteiden väsymiskestävyyteen. Erittäin kovilla teräskuulilla voidaan nykyään kuulapuhaltaa teräksiä, joiden kovuus on jopa yli 60HRC. Pintakarkaisun jälkeen on vältettävä pinnan hiomista, sillä pinnan kuumeneminen hionnassa saattaa muuttaa puristusjännitystilan jopa vetojännitystilaksi. Hionnan jälkeen suositellaankin suoritettavaksi tämän takia usein kuulapuhallus tai vastaava termomekaaninen muokkaus, jolla pinnan puristusjännitystila varmistetaan.