Embed Size (px)
Citation preview
1
Valuraudat
2
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?
3
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?
4
EsitiedotMitä 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!
2
5
HiekkavaluHiekkavalua 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.
6
HiekkavaluMuotin 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.
7
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.
8
HiekkavaluSula metalli kaadetaan kaatosuppilon (pouringcup) 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.
3
9
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.
10
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 ydintyminentapahtuu alijäähtymisellä ∆TH
11
Heterogeeninen ydintyminenHeterogeenisessa ydintymisessäsula 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• γJN pintaenergia ytimen ja
jähmettyvän sulan välillä• γSV pintaenergia ytimen ja
sulan välillä• γ pintaenergia sulan ja
jähmettyvän sulan välillä
12
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)
4
13
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
14
Kiteiden kasvuJos 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
15
Kiteiden kasvu
Jos sula on alijäähtynyt, voi syntyä tilanne, missä jähmettymisessä vapautuva lämpö nostaa kiinteä-sula rajapinnan lämpötilan sulan lämpötilaa korkeammalla
• Negatiivinen lämpötilagradientti
16
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]
5
17
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
18
Metalliseoksen jähmettyminen
Edellä käsiteltiin puhtaan metallin jähmettymistä. Seoksen jähmettyessä syntyvän kiinteän koostumus on eri kuin jähmettyvän sulan.
• Suotautuminen ja vipusääntö• Jos kiinteän koostumus
seuraa lämpötilan laskiessa solidusta ja sulan likvidusta, tapahtuu valikoiva jähmettyminen
19
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 dentriitinkasvaminen vaikka sulassa onkin posiviitinen lämpötilagradientti
• Lakimääräistä alijäähtymistä voi tapahtua niin paljon että sulassa alkaa (homogeeninen)ydintyminen
20
JähmettyminenTasa-akseliset kiteet
• Chill zone• Orientaatiossa [100] olevat
kiteet kasvavat nopeiten ->
Pylväskiteet• Columnar zone
Tasa-akseliset kiteet• Equiaxed zone
6
21
Keskustan tasa-akseliset kiteet
Sulan lämpötila muotin reunan lähellä on matalampi kuin keskellä
• Konvektio katkoo dentriittejä jotka aiheuttavat ydintymisen ja kiteiden kasvun
22
Esimerkki
Valetaan 7 tuuman (noin 170 mm) hiekkamuottiin 140°C ylikuumennettu sula (CE=3.86)
• Austeniitin dentriititkasvavat 55 minuutin ajan
• Eutektinen reaktio alkaa muotin reunoilla 75 minuutin kohdalla ja keskellä 105 minuutin kohdalla
23
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
25
Grafiitti
7
26
http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/
Sementiitti (Fe3C)
35
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 valu-raudassa karbidien lisäksi vapaana grafiittina.
• Hiilen lisäksi piitä, mangaania, fosforia jne• Seosaineet mahdollistavat grafiitin esiintymisen
normaalia pienemmillä hiilipitoisuuksilla, joten raja 2.1% ei ole täsmällinen
38
Grafiitti ja sementiitti
Grafiitin ydintymistähelpottaa
• Suurempi hiilipitoisuus• Pienempi jäähtymisnopeus• Piin läsnäolo• Muut seosaineet: Ni, Al, Ti,
Cu• Helpompaa sulassa kuin
kiinteässä• Korkea lämpötila• Ytimen kasvaminen
helpompaa kuin ydintyminen
Grafiitin ydintymistähaittaa
• 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
39
Steadiitti
Steadiitti on ternäärinen eutekti (sulamispiste luokkaa 950°C)
• Sementiitti (Fe3C)• Rauta (Fe)• Rautafosfidi (Fe3P)
Mekaanisilta ominaisuuksiltaa kovaa ja haurasta, mutta parantaa sulan juoksevuutta
• Ohutvalut• Lisää kulutuskestävyyttä
8
41
Eri valurautojaValkoinen 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
42
43
SFS-ENEN-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
45
Valkoinen valurauta (EN-GJN)
Kaikki hiili on sitoutunut karbideihin• Fe3C• Cr7C3
• (Fe,Cr)3C• (Fe,Cr)7C3
Erittäin kovia, käytetään kulumiskestävyyttä vaativiin kohteisiin
• Vähän seostettujen kovuus 350-550 HB• Runsaammin seostettujen kovuus 450-800 HB
9
46
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
48
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)
49
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
52
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
10
53
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)
54
C Si Mn Cr Ni Mo HVEN-GJN-HV350 Min 2.4 0.4 0.2 350
Max 3.9 1.5 1.0 2.0EN-GJN-HV520 Min 2.5 1.5 3.0 520
Max 3.0 0.8 0.8 3.0 5.5EN-GJN-HV550 Min 3.0 1.5 3.0 550
Max 3.6 0.8 0.8 3.0 5.5EN-GJN-HV600 Min 2.5 1.5 0.3 8.0 4.5 600
Max 3.5 2.5 0.8 10.0 6.5EN-GJN-HV600 (XCr11) Min 1.8 0.5 11.0 600
Max 3.6 1.0 1.5 14.0 2.0 3.0EN-GJN-HV600 (XCr14) Min 1.8 0.5 14.0 600
Max 3.6 1.0 1.5 18.0 2.0 3.0EN-GJN-HV600 (XCr18) Min 1.8 0.5 18.0 600
Max 3.6 1.0 1.5 23.0 2.0 3.0EN-GJN-HV600 (XCr23) Min 1.8 0.5 23.0 600
Max 3.6 1.0 1.5 28.0 2.0 3.0
Koostumukset (EN 12513)
55
Valkoinen valurauta (EN-GJN)Valkoisten valurautojen kovuusvertailu
HV HB HRC350 340 34400 378 39450 420 44500 465 47520 480 48550 510 50600 555 53650 595 56700 640 58750 683 60
Sininen = Menetelmää ei suositella tälle kovuus alueelle
56
Valkoinen valurauta (EN-GJN)Alieutektinen seos. Nopea jäähtyminen, joten jähmettyminen tapahtuu Fe-Fe3C faasipiirroksen mukaan
• Likviduslämpötilassa sula alkaa jähmettyä austeniitti dentriiteiksi, sulan koostumus seuraa likvidusta, austeniitin solidusta
• Suurin osa sulasta on hajaantunut austeniitiksiennen eutektisesta lämpötilaa (riippuu alkuperäisestä koostumuksesta)
• Loppu sula hajaantuu eutektisella reaktiolla austeniitiksi ja sementiitiksi(ledeburiitti)
11
57
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
58
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
61
Valkoinen valurauta (EN-GJN)
62
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 mustaydin-tai valkoista adusoitua valurautaa
12
63
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.
64
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.
66
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 temperhiilenmuodostumisen välttämiseksi.
• Ohuet kappaleet voivat muuttua kokonaan niukkahiilisiksi, kun taas paksummissa kappaleissa valkoinen niukkahiilinen kerros muodostuu vain pintaan sisustan jäädessä temperhiiltäsisältäväksi
67
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 adusoidullavaluraudalla on hyvät mekaaniset ominaisuudet
Valkoinen adusoitu valurauta ohutseinämäisiin ja vaikeasti valettaviin kappaleisiin (korkea hiilipitoisuus merkitsee hyvää valettavuutta), mustaydinvalurauta paksuihin ja koneistettaviin kappaleisiin
Pitkällinen adusointikäsittelylisää kustannuksia ja hintaa suomu- ja pallografiitti-valurautoihin verrattuna
• Käyttö vähäistä
Käydään tarkemmin läpi ensi kerralla
13
69
Adusoitu eli tempervalurauta
72
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
73
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 %
74
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL)
Sulan jähmettyessä austeniitiksi ja grafiitiksi syntyy vain vähän grafiittia. Austeniittiasyntyy paljon•Vipusääntö•Grafiitti jää austeniittirakeiden ’väliin’ suomuiksi
Rauta-sementiittiEutektinen lämpötila 1148Austeniitin koostumus 2.11Eutektinen koostumus 4.3Sementiitin koostumus 6.68
Austeniitin osuus 52 %Sementiitin osuus 48 %
Rauta-grafiittiEutektinen lämpötila 1154Austeniitin koostumus 2.08Eutektinen koostumus 4.26Grafiitin koostumus 100
Austeniitin osuus 98 %Grafiitin osuus 2 %
14
75
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 +1.00P +1.00Al +0.50Ti +0.40Ni +0.35Cu +0.20
Mn -0.25Mo -0.30Cr -1.00V -2.50
77
Grafiitin luokittelu
Suomugrafiitti • I
Tylppägrafiitti• III
Tempervaluraudat• IV ja V
Pallografiitti• V ja VI
78
Rakenne”Eutektinen”
• Koostumus lähellä eutektistakoostumusta (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
80
Rakenne
Ruusukegrafiitti• Koostumus lähellä eutektia• Vähän ydintymiskohtia• Sula on alijäähtynyt• Esiintyy usein ohuissa seinämissä ja
valujen pintaosissa• Haitallinen lujuuden kannalta
15
81
Rakenne
”Ylieutektinen”• Primäärisenä faasina
grafiitti (isot mustat viivat)
• Hidas jäähtyminen• Paksut kappaleet• Vaahtografiitin (kish)
muodostuminen valun yläosaan
82
Rakenne
”Alieutektinen”• Myös eutektisella
koostumuksella• Primäärineni austeniitti
jähmettyy ensin (valkoiset alueet)
• Rakennetta suosii ohut seinämä, nopea jäähtyminen ja alijäähtyminen
• Heikentää mekaanisia ominaisuuksia
83
Rakenne
”Alieutektinen”• Kuten tyyppi D, mutta
primäärisen austeniitin dendriitit näkyvät selvemmin
84
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 austeniitiksiennen eutektisestalämpötilaa (riippuu alkuperäisestä koostumuksesta)
• Loppu sula hajaantuu eutektisella reaktiolla austeniitiksi ja grafiitiksi
16
85
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL)
Lämpötilan laskiessa austeniitin maksimi hiilipitoisuus laskee ja austeniitista syntyy grafiittia eutektisengrafiitin pintaan
• Eutektoidisessalämpötilassa lopusta austeniitista muodostuu ferriittiä ja grafiittia
86
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL)
Sula on jähmettynyt austeniitiksi ja grafiitiksi
• Suurehkolla jäähtymisnopeudella gra-fiitin syntyminen estyy ja austeniitti hajaantuu sementiitiksi (jana a-b).
• Lopullinen mikrorakenne: grafiitti + esieutektoidinen sementiitti + perliitti
a
b
87
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
88
f
d
17
89
Suomugrafiittivalurauta (EN-GJL)
Jos jäähtymisnopeus on sopivasti edellä mainittujen välissä syntyy rakenteeksi grafiittia ja perliittiä
91
Suomugrafiitti ja perliitti
92
Suomugrafiitti, perliitti ja ferriitti
93
Seostus
Hiilipitoisuuden kasvu• Jäähtymisnopeuden pienentyminen ja• Piipitoisuuden kasvu edistävät ydintymistä• Seosaineista nikkeli, kupari ja alumiini edistävät grafiitin
ydintymistä
Pii ja fosfori vaikutus huomiodaanhiiliekvivalentilla
• CE = C + Si/3 + P/3 (yleisin)• CE = C + 0.3*Si + 0.33*P - 0.027*Mn + 0.4* S
18
95
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
96
Mauerin piirros
97
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
98
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
19
101
102
Alue 1
103
Alue 2
104
Alue 2
20
111
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*Rm), 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
113
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
114
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 Monel-metallit
– 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.
115
Valurautojen vaimennus ominaisuudet
GJS = pallografiitti
GJM = adusoitu
GJL = suomugrafiitti• Värähtely vaimentuu
suomugrafiitissa nopeasti
21
116
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.
117
Lovivaikutus
118
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.
