Valurauta

Valurauta on seostettua rautaa, jossa hiilipitoisuus on suurempi kuin teräksessä. Yli 2,11 % hiiltä sisältävät seokset ovat valurautaa, ja sitä vähemmän hiiltä sisältävät ovat niukkahiilisiä (alle 0,25 % C), keskihiilisiä (0,25–0,60 % C) tai runsashiilisiä (0,60–2,11 % C) teräksiä.
Yleistä.
Valuraudan sulamispiste on merkittävästi alhaisempi kuin teräksillä mikä on johtanut sen suosioon valumateriaalina. Valurauta on tärkeä materiaali mekaanisten koneiden valmistuksessa. Yksi merkittävimmistä käyttökohteista on autojen polttomoottorien sylinterilohkot.
Valurautojen tärkein ainesosa raudan ohella on hiili, joka esiintyy valutuotteen mikrorakenteessa puhtaana hiilenä harmaassa valuraudassa suomugrafiittina tai pallografiittina rautamatriisissa, joka muodostuu hiiliteräksissäkin esiintyvistä faaseista: ferriitti, perliitti, martensiitti, jäännös­austeniitti ja seostuksen avulla aikaansaadut erilaiset metalli­karbidit. Mikrorakenteiden muodostumiseen vaikuttavat seosaineet, jäähdytysnopeus valun jälkeen sekä mahdollinen jälkikäteen suoritettava lämpökäsittely.
Valuraudat jaetaan "valkoisiin" ja "harmaisiin" valurautoihin. Harmaan valuraudan erityinen muoto on "pallografiittivalurauta". Harmaan valuraudan vetomurtolujuutta alentavat grafiittisuomut, jotka saavat aikaan lovivaikutuksen ja siten synnyttävät vetojännityksen alaisena murtumiseen johtavia jännityshuippuja.
Valmistus.
Valuraudan valmistus on monivaiheinen prosessi, jossa ei-toivotut, materiaalia haurastavien aineiden kuten rikki- ja fosforipitoisuudet pyritään saamaan mahdollisimman pieniksi. Hiili- ja piipitoisuudet lasketaan halutulle tasolle (tavallisimmin 2,4–3,5 % hiiltä, 1–3 % piille), jonka jälkeen sula rauta valetaan muottiin, jossa se jähmettyy lopulliseen muotoonsa. Toisin kuin terästä, valurautaa ei sen kiinteän sulamispisteen vuoksi voida takoa, vaan sitä voidaan yleensä muovata vain valamalla, mistä se on nimensäkin saanut.
Suomugrafiittivaluraudat (GJL).
Suomugrafiittivaluraudassa (GJL, G = valu, J = rauta, L = suomugrafiitti) on keskimäärin 3,4 % hiiltä ja n. 2,2 % piitä. Näitä pitoisuuksia pienentämällä voidaan lisätä valuraudan lujuutta ja kovuutta. Tällöin kuitenkin rakenteen epätasaisuus kasvaa ja eritoten nopeasti jäähtyvät nurkkaukset saattavat jähmettyä valkoiseksi valuraudaksi. Suomugrafiittivaluraudan nimitys tulee murtopinnan väristä, jossa grafiitti esiintyy suomuina. Suomugrafiittivaluraudassa murtuma etenee pitkin grafiittisuomuja, jotka ovat muodostuneet grafiitin jähmettymisen yhteydessä, ja tämän takia murtopinnasta tulee himmeä. Siitä tuleekin suomugrafiittivaluraudan toinen nimi, harmaavalurauta ("grey cast iron").
Pii on olennainen osa suomugrafiittivaluraudan valmistuksessa. Kun pii seostetaan ferriitin ja hiilen kanssa, muuttuvat raudan karbidit epävakaiksi. Piin vaikutuksesta hiili irtoaa nopeasti seoksesta puhtaana hiilenä (grafiittina), jättäen yleensä ferriittis-perliittisen matriisin. Seostuksen ja lämpökäsittelyn avulla se voidaan muuttaa ferriittiseksi, perliittiseksi, austeniittiseksi tai päästö­martensiittiseksi. Grafiittipitoisuus tuo valurautaan korroosionkestoa. Grafiitti toimii myös kitkanpoistajana, joka parantaa kulutuksenkestoa. Suomugrafiittivalurautaa voidaan lämpö­käsitellä pehmennyshehkutuksella (870 celsiusasteessa) ja jännityksen poistolla (550 celsiusasteessa). Jännityksenpoistohehkutus suoritetaan suurille ja paksuudeltaan epätasaisille kappaleille. Suomugrafiittivalurautaa ei yleensä karkaista, sillä martensiitin muodostumisesta johtuvat tilavuudenmuutokset aiheuttavat rakenteen säröilyä. Ymppäyksellä voidaan parantaa grafiitin ydintymismahdollisuuksia ja saadaan se ydintymään hienojakoisempana. Ymppäyksellä tarkoitetaan deoksidoivien aineiden (esim. piirauta, piikarbidi) lisäämistä sulaan juuri ennen valua.
Suomugrafiittivaluraudan käyttökohteita ja ominaisuuksia
Suomugrafiittivaluraudan valmistaminen on erittäin edullista, se on edullisin metallimateriaali. Se on myös hyvin valettavaa, sillä on alhainen sulamis­lämpö­tila (verrattuna teräksiin, 1250C) ja se on sulana hyvin juoksevaa. Suomugrafiittivaluraudalla on myös alhainen jähmettymiskutistuma. Se on helposti koneistettavaa, rakenteen vuoksi pinnanlaatu ei välttämättä kuitenkaan ole paras mahdollinen. Koneistettavuus riippuu matriisin rakenteesta ja ominaisuuksista. Rakenteensa ansiosta suomugrafiittivalurauta vaimentaa mekaanisia värähtelyjä (myös ääntä), mikä auttaa koneita käymään tasaisemmin. Vaimennusominaisuudet ovat sitä paremmat, mitä enemmän rakenteessa on grafiittia ja mitä suurempina suomuina grafiitti esiintyy. Siksi sitä käytetään myös esim. työstökonerungoissa ja alustoissa jne. Sillä on myös hyvät lämmönjohtavuusominaisuudet, ja tätä ominaisuutta hyödynnetään esim. paistinpannuissa ja jarrulevyissä. Sillä on myös hyvät tribo­logiset ominaisuudet grafiittisuomujensa ja voiteluaineen imeytymisen takia. Se kestää hyvin kulutusta karkaistua terästä vastaan, ja sen takia sitä käytetäänkin esim. sylinterilohkojen ja jarrurumpujen valmistusmateriaalina.
Suomugrafiittiraudalla on myös heikkouksia. Se ei esimerkiksi sovellu kylmä- tai kuumamuokkaukseen vaatimattoman murtovenymän (vedossa) vuoksi. Huonon vedonkestävyyden lisäksi se on muutenkin mekaanisilta ominaisuuksiltaan varsin heikkoa; kestää paremmin puristusta ja taivutusta. Sitä ei myöskään pysty hyvin hitsaamaan sen korkean hiilipitoisuuden takia. Korkeita lämpötiloja varten se ei ole hyvä valmistusmateriaali, sillä yli 400 celsiusasteen lämpötiloissa raudan sisäinen hapettuminen turvottaa sitä, kun happi kulkeutuu valuraudan sisäosiin grafiittisuomuja pitkin.
Tyypillinen koostumusalue:
Mekaaniset ominaisuudet:
Pallografiittivaluraudat (GJS).
Pallografiittivaluraudassa grafiitti ydintyy erillisinä pallomaisina sulkeumina, mikä saadaan aikaan kontrolloimalla niiden kasvua seostamalla siihen n. 0,04 % magnesiumia. Myös ceriumia käytetään palloutusaineena. Pallomaiset grafiittisulkeumat heikentävät mekaanisia ominaisuuksia huomattavasti vähemmän kuin suomumaiset grafiittisulkeumat. Pallografiittivalurautojen mekaaniset ominaisuudet ovatkin lähempänä teräksen mekaanisia ominaisuuksia. Grafiitin korkea palloutumisaste ja pieni pallokoko parantavat mekaanisia ominaisuuksia.
Vaikka pallografiittivalurautoja ei useimmiten lämpökäsitellä, niille on kuitenkin mahdollista tehdä monia eri lämpökäsittelyjä, esim. myöstö, ferritointi, normalisointi, nuorrutus, austemperointi ja pinta­karkaisu.
Pallografiittivalurauta on hieman huonommin valettavaa kuin suomugrafiittivalurauta, mutta silti terästä parempi. Pallografiittirauta ei myöskään turpoa korkeissa lämpötiloissa. Se on myös melkein yhtä hyvin koneistettavaa kuin suomugrafiittivalurauta. Hitsattavuus ei pallografiittivaluraudassa ole kovin hyvä, mutta suomugrafiittivalurautaan verrattuna sitkeämpi matriisi vähentää hitsin repeilytaipumusta. Pallografiittirauta käy suomugrafiittivalurautaa vaativampiin kohteisiin, jopa valuterästen korvaajana, sillä sen murtolujuus on jopa 900 MPa.
Pallografiittivalurauta kestää hyvin kuoppautumista. Siksi se on usein hammas­pyörien valmistusmateriaali. Muita käyttökohteita ovat esim. moottoreiden komponentit, valssit ja puristinmuotit, uunien osat ja arinaraudat. Pallografiittivaluraudan käyttö lisääntyy jatkuvasti vähentäen muiden rautapohjaisten valumateriaalien käyttöä.
Tyypillinen koostumusalue:
Tylppägrafiittivaluraudat (GJV).
Tylppägrafiittia esiintyy aina pallografiittivaluraudoissa epätäydellisen palloutumisen seurauksena. Sitä saadaan valmistetuksi suomugrafiittivalurautaa hallitusti seostamalla, käyttäen grafiittia pallouttavia ja palloutumista estäviä aineita (mm. titaani ja rikki). Tällöin raudan grafiittisuomuista tulee paksumpia ja pyöreämpiä kuin tavallisella suomugrafiittivaluraudalla. Sulan pitää olla puhdasta ja täsmälleen oikean lämpöistä, jotta prosessi onnistuu, siksi tylppägrafiittivaluraudan valmistaminen on vaikeampaa kuin pallografiittivaluraudan. Varsinaiset menetelmät valmistukseen ovat kehittyneet viimeisten 10-20 vuoden aikana.
Ominaisuuksiltaan tylppägrafiittivalurauta on suomugrafiittivaluraudan ja pallografiittivaluraudan välimuoto. Sen mekaaniset ominaisuudet ovat paremmat kuin suomugrafiittivaluraudoilla, mutta sen lämmönjohtavuus on huonompi. Se myös kestää paremmin nopeita lämpötilanvaihteluja (terminen šokki) ja sillä on paremmat vaimennusominaisuudet kuin pallografiittivaluraudalla.
Tylppägrafiittivaluraudan tyypillisiä käyttökohteita ovat komponentit, joiden pitää kestää lämpötilan vaihteluja ja olla mekaanisesti kestävämpiä kuin suomugrafiittivaluraudasta valmistettuna. Tällaisia kohteita ovat mm. terästehtaiden valu­muotit, moottorien rungot sekä sylinterit, vauhtipyörät, kytkinlevyt, hydrauliikkakomponentit.
Valkoiset valuraudat.
Valkoinen valurauta muodostuu jäähdyttämällä sula nopeasti, jolloin rakenteeseen ei ehdi muodostua haurastuttavia grafiittisulkeumia. Valkoisissa valuraudoissa kaikki hiili on sitoutuneena sementiittiin (Fe3C). Valkoisesta valuraudasta saadaan lämpökäsittelyn avulla tempervalurautaa eli adusoitua valurautaa.
Valkoinen valurauta on kovaa ja haurasta, mutta kestää hyvin kulumista. Tämä johtuu siitä, että kovat karbidipartikkelit kestävät kulutusta paremmin kuin pehmeä grafiitti. Seostuksen (esim. kromin, molybdeenin tai nikkelin) avulla valkoisen valuraudan kulutuksenkestävyyttä voidaan edelleen parantaa ja samalla saadaan yhdistettyä siihen hyvä sitkeys.
Tempervaluraudat (GJM).
Tempervaluraudat eli adusoidut valuraudat ovat lämpökäsittelyn avulla tuotettavia seoksia, jotka muistuttavat ominaisuuksiltaan pallografiittivalurautoja. Tempervalurautaa saadaan valkoisen valuraudan lämpökäsittelyn (adusoinnin) avulla. Adusoinnissa kappaletta pidetään hapettavassa väliaineessa n. 940–1 070 °C:n lämpötilassa useiden tuntien ajan (n. 12–30 h). Tässä vaiheessa valuraudan rakenne on austeniittinen ja sisältää temperhiiltä. Jäähdytysnopeudella saadaan säädettyä matriisin lopullinen rakenne ja sen kautta valuraudan ominaisuudet. Näin eri lujuusluokkien valuraudat voidaan valaa samasta perussulasta. Adusoitavan raudan hiili- ja piipitoisuuden on oltava matalat, jotta valukappale jäähtyisi valkoisena valurautana. Tempervalurautojen hitsattavuus on melko hyvä ja valuominaisuudet erinomaiset. Huonona puolena on hinta. Pitkä lämpökäsittely nostaa kustannuksia, ja tempervaluraudat ovatkin korvautumassa pallografiittivaluraudoilla.
Tempervalurautojen tyypillisiä käyttökohteita ovat sorminiittokoneiden ja puimakoneiden "sormet" sekä kulkuväline- ja sähköteollisuuden suursarjatuotteet, joissa tarvitaan hyvää työstettävyyttä ja sitkeyttä, hyvää vaimennuskykyä ja pallografiittivaluraudan mekaanisia ominaisuuksia sekä hyvää hitsattavuutta.
Valuraudan hitsaus.
Valurautaa ei voi hitsata tavanomaisesti, koska hitsattaessa hitsauskohta jäähtyy nopeasti ja hitsiaineen viereen syntyy kova ja hauras vyöhyke. Hitsiaineen tarttuminen perusaineeseen voi olla huono tai hitsiliitoksen lujuus ei vastaa perusaineen lujuutta.
Valuraudan kuumahitsaus on ainoa tapa, jolla saadaan täysin perusaineen ominaisuuksia vastaava hitsausliitos. Siinä korjattava kappale kuumennetaan valuraudan tyypistä riippuen noin 300–600 °C:n lämpötilaan, jossa hitsaus suoritetaan. Hitsauksen jälkeen kappaleen annetaan jäähtyä mahdollisimman hitaasti ja tasaisesti, jolloin kappaleeseen ei pääse syntymään suuria lämpöjännityksiä.
Valuraudan kylmähitsaus voi tapahtua joko ilman esikuumennusta tai kuumentamalla kappale paikallisesti tai kokonaan 200–250 °C:een. Tästä käytetään myös nimitystä puolikuumahitsaus. Väärin suoritettu esikuumennus voi sekin aiheuttaa kappaleen murtumisen.
Valuraudan kylmähitsaukseen käytetään yleisimmin hitsaupuikkoja, joissa lisäaine on koostumukseltaan puhdasta nikkeliä (Ni 95 %) tai nikkeli-rautaseoksia (NiFe 55 %/45 %). Näitä lisäaineita käytettäessä hitsiaine jää pehmeäksi ja se on hyvin koneistettavissa. Hitsiaineen lujuusarvot eivät kummallakaan lisäainetyypillä vastaa valurautaa.