metallit 2004 l04c print web -...

Valuraudat

[email protected]

2

Esitiedot

Miten pallografiitin ydintyminen ja kasvu poikkeaa suomugrafiitin ydintymisestä ja kasvusta?

Mitkä ovat pallografiittivalurautojen ja adusoitujen valurautojen edut ja rajoitukset?

Minkälaisi lämpökäsittelyjä pallografiittivaluraudalle voidaan tehdä? Mikä on näiden lämpökäsittelyjen tarkoitus?

3

Grafiitin ydintyminen

Ydintyminen•Grafiitin kiderakenne

tuhoutuu korkeassa lämpötilassa (luokkaa 4000 °C)

•Yli 3% hiilipitoisuudella sulaan rauta-hiiliseokseen syntyy hiilirikkaita kasaumia

•Oletettu rakenne– Fe3C tai– Cn

5


Riippue jähtymisnopeudesta, kasvunopeudesta, koostumuksesta, viikonpäivästä, kuun asennosta grafiitti voi ydintyä

a) Suomugrafiittina (flake)b) Tylppägrafiittina (Compacted/vermicular)c) Koralligrafiittina? (Coral)d) Pallografiittina (Spheroidal,nodular)

6

Grafiitin ydintyminenSulan ylikuumentaminen saa aikaa suuremman alijäähtymisen (ennen jähmettymistä)

• Korkeampi lämpötila tuhoaa sulassa olevien (etenkin helposti hajoavien) ydintymiskohtien lukumäärää

Suomugrafiitille suotuisia ovat

• Grafiitti ja SiO2

• Suolamaiset karbidit (esim. NaHC2, CaC2, YC2, KHC2, SrC2, LaC2, BaC2)

9


Pallografiitin keskeltä on löytynyt yhdisteitä joiden oletetaan edistävän sen ydintymistä

•Esim. xMgO·yAl2O3·zSiO2, xMgO·ySiO2, xMgO·ySiO2·zMgS, MgS, Te + Mn + S, lantanidisulfidit

Ytimen keskellä on todennäköisesti Ca-Mg tai Ca-Mg-Sr sulfidia ja ulkokuori Mg-Al-Si-Ti oksidia. Rajapinnoilla

•Ytimen keskusta ja kuori?

•Ytimen kuori ja grafiitti

11

Grafiitin kasvu

Grafiitin kasvaa nopeammin suuntaan [10-10] kuin suuntaan [0001]

•Suomugrafiitissa austeniitinja grafiitin yhtäaikainen kasvaminen on mahdollista (a) toisin kuin pallografiitissa (b)

•Hitaampi kasvunopeus suuntaan [0001] aiheuttaa grafiitin tyypillisen muodon

12

Grafiitin kasvu

Grafiitti ja austeniitti kasvavat punaisella värillä merkityillä alueilla oheisissa TTT kuvaajissa a) suomugrafiitti ja b) pallografiitti

•Sementiitin (keltainen väri) muodostuminen on helpompaa pallografiittiin kuin suomugrafiittiin

•Grafiitin ydintyminen tapahtuu nopeammin pallografiitissa, mutta suomugrafiitissa sen muodostumien päättyy aikaisemmin

15

Grafiitin kasvu

Suomugrafiitissa austeniitin ja grafiitin kasvaminen sulasta tapahtuu yhtäaikaa eutektisessa solussa? (eutectic cell)

•Grafiitti kasvaa austeniittia nopeammin

•Alijäähtymisen kasvaminen lisää grafiitin haaroittumista

16

Pallografiitin kasvu

Pallografiitin kasvu alkaa grafiitin ydintymisellä ja kasvulla sulassa tilassa a)

•Sulan hiilipitoisuus laskee grafiittipallon (spherulite, spheroid) lähellä

Austeniitti kiinteän muodostaa kuoren grafiitin ympärille b)

17


Sekä grafiitti että austeniitti kasvavat ulospäin

•Hiili diffudoituu austeniitinläpi grafiittiin c)

18


Austeniitti dendriittien vaikutus•Dendriitit ja grafiitti ydintyvät toisistaan riippumatta

eutektisessa lämpötilassa• Sulassa olevat grafiittipallot kasvavat hitaasti• Jossain vaiheessa dendriitit ja grafiitti kohtaavat, jonka

jälkeen grafiitin kasvu jatkuu austeniitin sisällä

19


Austeniitin kasvu nopeutta säätelee lämpötilagradientti ja diffuusionopeus kun taas grafiitin kasvunopeus riippuu kidetasosta ja sulan epäpuhtauksista.

•Grafiitin pohjataso tai suunta [0001] (RG2) on suosituin kasvusuunta, koska sen sulan välisen rajapinnan enegiaon pienin. Seurauksena on grafiittipallon muodostuminen

•Jos sulassa on pinta-aktiivisia elementtejä (O, S, Pb, Te) ne adsorpoituvat grafiitin sivutasoille, laskien sen ja sulan pinta-energian pohjatason pintaenergiaa pienemmäksi. Kasvu tapahtuu suuntaan [1010] (RG1)

• Sulassa olevat reaktiiviset aineet (Mg, Ce, La) poistavat kasvua haittaavien aineiden vaikutukset (S, O,Pb, Sb, Ti)

20


Suomugrafiitissa austeniitti ja grafiitti voivat kasvaa yhtä aikaa sillä niiltä löytyy yhteinen alijäähtymisen arvo ∆T, jolla kasvunopeus on sama

•Pallografiitilla näin ei ole, joten seurauksena on erillään syntynyt eutektinen rakenne (divorced eutectic)

25


Liian suurella alijäähtymisellä sementiitin ydintyminen on mahdollista

27

Eutektoidinen reaktio

Kun kaikki sula on jähmettynyt jatkuu jo syntyneiden grafiittipallojen kasvu

•Grafiitin ydintyminen kiinteässä tilassa hyvin epätodennäköinen vaihtoehto

•Lämpötilan laskeminen pienentää hiilen liukoisuutta austeniittiin

Jäähtyminen tapahtuu hitaasti verrattuna diffuusio nopeuteen

•Austeniitti muuttuu ferriitiksi ja grafiitiksi•Austeniitista hajaantuva ferriitti ydintyy normaalisti

hitaassa jäähtymisessä grafiitti-austeniitti rajapinnalle, koska hiilipitoisuus on siellä pienin

28

Eutektoidinen reaktio

Fe-C-Si järjestelmässä ferriitin ja grafiitin kasvu tapahtuu lämpötilassa 750-722°C. Jos austeniittia on jäljellä kun seos saavuttaa metastabiilin järjestelmän eutektoidin, syntyy perliittiä

•Austeniitti voi hajaantua myös perliitiksi, jos lämpötila, jäähtymisnopeus ja koostumus ovat oikeita. Myös sementiitti voi muuttua ferriitiksi ja grafiitiksi.

•Perliitti ydintyy mielellään ferriitti-austeniitti raerajalle, mutta sopivalla seostuksella se saadaan ydintymään myös austeniitti-grafiitti tai austeniitti-austeniittirajapinnalle.

29

Pallografiittivaluraudat

Yleistä•Materiaalissa yhdistyvät teräksen hyvä sitkeys ja

valuraudan valettavuus, joka aikaisemmin saatiin aikaan adusoidulla valaraudalla.

•Ensimmäiset pallomaiset grafiitit saatiin aikaan Englannissa 1948 cerium lisäyksellä

• Samana vuona amerikassa International Nickel Company teki kokeita magnesium lisäyksellä (patentoitu vuona 1949)

•Pallografiitin käyttö lisääntyy jatkuvasti vähentäen muiden rautapohjaisten valumateriaalien käyttöä.

30

Yleistä pallografiitti-valuraudoista

Ominaisuudet•Paremmat lujuus- ja sitkeysominaisuudet kuin

suomugrafiittivaluraudalla, jonka murtovenymätmuutamia prosentteja

•Valettavuus harmaata valurautaa huonompi, mutta terästä parempi

•Ei turpoamista korkeissa lämpötiloissa• Loviherkkyys terästä pienempi•Kestävyys kuoppautumista vastaan (hammaspyörät)•Myös karkaistavia laatuja• Somugrafiittivalurautaa vaativampiin kohteisiin, jopa

valuterästen korvaajina (murtolujuus jopa 900 MPa)

31

Yleistä pallografiitti-valuraudoista

Tyypillinen koostumus• C 3.0 - 4.0%• Si 1.8 – 2.8%• Mg 0.1 – 1.0%• P 0.01 – 0.1%• S 0.01 – 0.03%

Eri mikrorakenteita• Ferriittinen• Ferriittis-perliittinen• Perliittinen• (Päästö)martensiittinen• Austeniittis-ferriittinen• Austeniittinen

Ferriittinen• Hidas jäähtyminen• Sitkeä, venyvä, ei niin luja

Perliittinen• Keskiverto jäähtymisnopeus• Luja, ei niin venyvä

Martensiittinen • Nopea jäähtyminen• Hauras

32

Pallografiittiraudat SFS-EN 1563

Murtolujuus Myötöraja MurtovenymäKovuusMPa MPa % HB

EN-GJS-350-22 350 220 22 110 - 160 EN-GJS-400-18 400 240 18 130 - 160 EN-GJS-400-15 400 250 15 130 - 160 EN-GJS-450-10 450 310 10 135 - 180 EN-GJS-500-7 500 320 7 160 - 200 EN-GJS-600-3 600 370 3 200 - 240 EN-GJS-700-2 700 420 2 220 - 270 EN-GJS-800-2 800 480 2 250 - 300 EN-GJS-900-2 900 600 2 260 - 310

34

Standardit

ASTM jaottelu käyttökohteen mukaan

35

Standardit

ASTM A 536•Nerokas luokittelu murtolujuuden, myötölujuuden ja

murtovenymän avulla kunhan vain muistaa että 1 ksi on vajaa 7 MPa

36

Koostumus

Verrattuna suomugrafiittiin pallografiitin valmistuksessa koostumuksen säätely korostuu

Hiili• Hiiliekvivalentti lasketaan kun suomugrafiitilla• Kompensoin jähmettymisen aiheuttaman kutistumisen (C +

Si/7 > 3.9)• Grafiitti pienentää kitkaa (voitelu)• Koneistettavuus paranee

Pii• Edistää grafiitin muodostumista• Lisää ydintymispaikkoja kun lisätään sulaan rautapiiseoksena• Nostaa eutektoidista lämpötilaa

37

KoostumusPii

• Ferriitti muodostaa grafiitin ympärille kuoren ferriittis-perliittisissä valuraudoissa heikentäen lujuuksia, mutta parantaen vynymiä

• Edistää ferriitin muodostumista• Ferriitti pienentää valuraudan lujuutta, mutta parantaan

murtovenymää ja iskusitkeyttä• Liian korkea piipitoisuus (esim. 2.75%) heikentää ferriittisen

rakenteen iskusitkeyttä (etenkin matalissa lämpötiloissa)

Mangaani• Stabiloi perliittiä, nostaa lujuutta, laskee venyvyyttä ja

koneistettavuutta

Nikkeli• Nostaa lujuutta suosimalla hienojakoisen perliitin syntymistä

ja lisäämää karkenevuutta

38

KoostumusKupari

• Suosii grafiittia ja perliittiä. Käytetään korvaamaan osa piistä

Molybdeeni• Parantaa korkean lämpötilan ominaisuuksia, lisää

karkenevuutta• Muodostaa karbideja joten pitoisuuksilla ylärajat

Rikki• Rikkiä löytyy yhdisteistä jota aiheuttavat pallografiitin

ydintymisen• Suosii myös suomugrafiitin muodostumista• Liian pieni rikki pitoisuus pienentää grafiittipallojen

lukumäärää. Liian suuri aiheuttaa suomugrafiittia.• Tyypillinen koostumus 0.010 – 0.015%

40

Koostumus

Grafiitin muodon säätely•Magnesium, cerium, yttrium ja harvinaiset maametallit•Grafiitti kasvaa suuntaan [0001]•Neutraloivat pinta-aktiiviset alkuaineet (O, S)

Magnesium•Halpa•Tyypillinen pitoisuus 0.02 – 0.08%, riippuu S ja O

pitoisuudesta•Liian suuri pitoisuus aiheuttaa karbidin muodostusta•Lisätään yleensä muiden harvinaisten maametallien

kanssa

42

KoostumusKalsium

• Voidaan käyttää grafiitin pallottamiseen, mutta päätarkoitus on pienentää magnesiumin höyrystymistä

• Ymppäyksessä reagoi hapen kanssa muodostaen CaO:ta• Yli 0.03% pitoisuudella vahvistaa Mg karbidin

muodostamistaipumusta

Harvinaiset maametallit (Rare Earths, RE)• Ce, La, Pr, Nd• Lisätään usein seoksena 50% Ce, 25% La ja 15%Nd?. Seos

tunnetaan nimellä Mischmetal• Ce neutraloi haitalliset alkuaineet Pb, Bi, As, Sb, Al• Tyypillinen pitoisuus 0.002 – 0.005%. Yli 0.01% pitoisuus lisää

riskiä karbidin muodostuksesta

43

Koostumus

Tina•Käytetään joskus perliitin

muodostamiseen•Paljon tehokkaampi kuin Mn

tai Cu• Seinämävahvuudeltaan

paksuissa perliittisissävaluissa voidaan käyttää luokkaa 0.1% tinaa.

•Vältetään ferriittisissä valuissa

44

ValmistusErilaisia raaka-aineita, koostumus tunnettava

Palloittavan aineen lisäämiseen erilaisia tapoja

• 1

Ymppäys voidaan tehdä valusangossa pallotuksen yhdeydessä, sulan muottiin kaatamisen yhteydessä tai muotissa

• Yleensä loppuvaiheessa tehty ymppäys parantaa laatua ymppäysaineen tehokkuuden pienetessä (fading)

46

Jäähtymiskäyrä

Pallografiittivaluraudan ominaisuuksia voidaan arvioida jäähtymiskäyrästä

•Esimerkiksi grafiitin muoto

47

Jäähtymiskäyrä

Palloutuminen ja ymppäys

•Aineiden lisääminen pienentää eutektistaalijäähtymistä (laakso noin 60s kohdalla), sillä ydintyminen on helpompaa

48

Laatu

Pallografiittivalurautojen tasalaatuisuutta seurataan usein yhtälöllä

• (Murtolujuus)2 x Murtovenymä = Q

Q saa korkean lukuarvon kun •Palloutumisaste ja lukumäärä on suuri•Karbideja ei esiinny•Fosforipitoisuus on pieni•Huokoisuutta ei esiinny

54

Lämpökäsittelyt

Useimmiten pallografiittivalurautoja ei lämpökäsitellä. Niille voidaan kuitenkin tehdään seuraavia lämpökäsittelyjä

•Myöstö (stress relieving)•Ferritointi (ferritizing, annealing)•Normalisointi (normalization)•Nuorrutus (hardening and tempering)•Austemperointi (austempering)•Pintakarkaisu (surface hardening, case hardening)

55

Lämpökäsittelyt

Myöstö (jännitysten poisto)• Isoihin ja poikkileikkaukseltaan vaihteleviin valuihin voi

syntyä jäähtymisen aikana jännityksiä• Jäännösjännitykset voivat aiheuttaa mittamuutoksia

(vetelyjä) koneistuksen aikana•Jäännösjännitykset poistetaan 540 – 595 °C lämpötilassa

Ferritointi•Halutaan hyvä koneistettavuus ja lujuudella ei ole väliä•Karbidien (ja perliitin) liuottaminen tehdään

lämpötilassa 900°C (austeniitti alueella). •Hidas jäähdytys uunin mukana

56

Lämpökäsittelyt

Normalisointi (perlitointi)•Lujuuden nostamiseksi, rakenteeksi tulee hienojakoista

perliittiä•Rakenteen syntymiseen vaikuttaa oleellisesti koostumus

ja jäähtymisnopeus

Nuorrutus•Kappale sammutetaan austeniittialueelta tyypillisesti

öljyyn. Rakenteeksi tulee lujaa, kovaa ja haurasta martensiittia

•Hauraus saadaan pienemmäksi päästämällä matalassa lämpötilassa, jolloin martensiitista syntyy päästömartensiittia

58

Austemperoitupallografiittirauta

Kappale jäähdytetään nopeasti muutaman sadan asteen lämpötilaan

•Austeniitti hajoaa metastabiiliksi austeniitiksi (γH) ja levymäiseksi ferriitiksi (α) tai ferriitiksi ja karbiksiriippuen käytetystä lämpötilasta ja ajasta (luokkaa 1-4h)

•Kappale jäähdytetään ennen bainiittireaktion alkua•Metastabiilin austeniitin (γH) hiilipitoisuus on kasvanut

niin paljon (martensiittireaktion alkamislämpötila on alle huoneen lämmön) että siitä ei synny martensiittianopeassa jäähdytyksessä

•Bainiittialueelle ei haluta mennä, sillä bainiittinenrakenne heikentää valuraudan sitkeyttä ja murtovenymää (toisin kuin teräksen)

62

Murtolujuus Myötöraja MurtovenymäKovuusMPa MPa % HB

EN-GJS-800-8 800 500 8 260...320 EN-GJS-1000-5 1000 700 5 300...360 EN-GJS-1200-2 1200 850 2 340...440 EN-GJS-1400-1 1400 1100 1 380...480

65

Tylppägrafiittivalurauta (EN-GJV)

Saadaan aikaan seostamalla valurauta grafiittia pallouttavilla ja sen palloutumista vastustavilla aineilla

•Compacted graphite iron •Grafiitti ei ole niin terävää kuin suomugrafiitissa•Hyvä termisen shokin kestävyys (lämpötilan vaihtelut)• Jarrulevyt, dieselmoottorien sylinterikannet jne.

66

Lovivaikutus

Suomugrafiitti valurauta on haurasta terävien grafiittisuomujen takia

• ’Loven’ kärjen jännitystila on verrannollinen loven leveyteen ja kärjen pyöristykseen

67

Lovivaikutus

68

Tylppägrafiitti

Grafiitin ydintyminen ja kasvu alkaa pallomaisena mutta muuttuu jäähtymisen edetessä kohti suomua

•Kuva b) seuraavalla kalvolla

69

Tylppägrafiitti

tai alkaa suomuna ja muuttuu palloksi a)

72

Lovivaikutus

Ratkaisuna suomugrafiitin haurauteen on muuttaa grafiitin muotoa. Monia eri tekniikoita

• Adusoituvalurauta – Malleable iron

• Pallografiittivalurauta– Ductile iron– Nodular iron – Spheroidal-graphite cast iron

• Tylppägrafiittivalurauta– Compacted Graphite Iron

73

Adusoituvalurauta

Käyttökohteet• Ohutvalut• Kappaleet joita pitää pystyä

meistämään• Jos vaaditaan erittäin hyvä

koneistettavuus• Hyvä iskusitkeys matalissa

lämpötiloissa• (Kulumiskestävyyttä

vaativat kohteet martensiittisilla laaduilla)

Tyypillinen koostumus• C 2.2 – 2.9%• Mg 0.2 – 0.6%• Si 0.9 – 1.9%• S 0.02 – 0.2%• P 0.02 – 0.2%

Perustyypit• Valkoydin (whiteheart)• Mustaydin (blackheart)

74

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.

75


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.

76


Mangaanin ja rikin suhde vaikuttaa temperhiilen rakenteeseen

•Mn = 1.7 S + 0.15 rajan alapuolella on enemmän mangaania kuin rikin sitomiseen vaaditaan. Ylimääräinen Mn liuoslujittaa ferriittiä

•Rajaan Mn/S = 1 asti syntyy sekasulfidi (Mn,Fe)S•Pienemmällä suhteella syntyy rautasulfidi (FeS) ja

temperhiilli muistuttaa hyvin paljon pallografiittia. Toisaalta FeS syntyminen ei ole toivottavaa

81

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

82

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

84

Adusoitu eli tempervalurauta

87

Valurautojen vertailu

Kutistuminen•Pallografiitti 0 - 0.7% • Suomugrafiitti 1.0% •Adusoituvalurauta 1.0% •Valkoinen valurauta 2.0% •Hiiliteräs 2.0% • Seosteräs 2.5%

metallit 2004 l04c print web -...

Documents