Valurauta

Valurauta on seostettua rautaa, jossa hiilipitoisuus on suurempi kuin teräksessä. Yli 2,1 % hiiltä sisältävät seokset ovat valurautaa ja sitä vähemmän hiiltä sisältävät ovat niukkahiilisiä (alle 0,25 % C), keskihiilisiä (0,25-0,60 % C) tai runsashiilisiä (0,60-2,1 % C) teräksiä.

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 (2–3,5 % hiilelle, 1–3 % piille), jonka jälkeen sula rauta valetaan muottiin, jossa se jähmettyy lopulliseen muotoonsa.

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. Harmaan valuraudan vetomurtolujuutta alentavat grafiittisuomut, jotka saavat aikaan lovivaikutuksen ja siten synnyttävät vetojännityksen alaisena murtumiseen johtavia jännityshuippuja.

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 vuoksi 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 putaana hiilenä(grafiittina), jättäen yleensä ferriittis-perliittisen matriisin. Seostuksen ja lämpökäsittelyn avulla se voidaan muuttaa ferriittiseksi, perliittiseksi, austeniittiseksi tai päästömartensiittisesti. 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 ja se on sulana hyvin juoksevaa. Suomugrafiittivaluraudalla on myös alhainen jähmettymiskutistuma. Se on helposti koneistettavaa, rakenteesta johtuen pinnanlaatu ei välttämättä kuitenkaan ole paras mahdollinen. Koneistettavuus riippuu matriisin rakenteesta ja ominaisuuksista. Rakenteesta johtuen suomugrafiittivalurauta vaimentaa mekaanisia värähtelyjä (myös ääntä), joka 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 grafiittisuomuista ja voiteluaineen imeytymisestä johtuen. 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 vaatimattomasta murtovenymästä (vedossa) johtuen. Huonon vedonkestävyyden lisäksi se on muutenkin mekaanisilta ominaisuuksiltaan varsin heikkoa; kestää paremmin puristusta ja taivutusta. Sitä ei myöskään pysty hyvin hitsaamaan sen korkeasta hiilipitoisuudesta johtuen. Korkeita lämpötiloja varten se ei ole hyvä valmistusmateriaali, sillä yli 400 celsiusasteen lämpötiloissa se turpoaa johtuen raudan sisäisestä hapettumisesta, kun happi kulkeutuu valuraudan sisäosiin grafiittisuomuja pitkin.

Tyypillinen koostumusalue:

1. Hiili 2,9 - 3,6 %
2. Pii 1,4 - 2,5 %
3. Fosfori 0,002 - 1,0 %
4. Rikki 0,02 - 0,25 %
5. Mangaani 0,2 – 1,0 %

Mekaaniset ominaisuudet:

1. Myötölujuus 98 - 450 MPa
2. Murtolujuus 150 - 450 MPa
3. Murtovenymä 0,3 – 0,8 %

Pallografiittivaluraudat (GJS)

Pallografiittivaluraudassa grafiitti ydintyy erillisinä pallomaisina sulkeumina, joka saadaan aikaan kontrolloimalla niiden kasvua seostamalla siihen n. 0,04 % magnesiumia. Myös cerium toimii palloutusaineena. Pallomaiset grafiittisulkeumat vaikuttavat huomattavasti vähemmän mekaanisia ominaisuuksia heikentävästi 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:

1. Hiili 3,0 – 4,0 %
2. Pii 1,8 – 2,8 %
3. Magnesium 0,1 – 1,0 %
4. Fosfori 0,01 – 0,1 %
5. Rikki 0,01 – 0,03 %

Tylppägrafiittivaluraudat (GJV)

Tylppägrafiittia esiintyy aina pallografiittivaluraudoissa epätäydellisen palloutumisen seurauksena. Sitä saadaan valmistettua suomugrafiittivalurautaa hallitusti seostamalla, käyttäen grafiittia pallouttavia ja pallouttamista estävillä aineilla(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 kehittyneet viimeisen 10-20 vuoden aikana. Ominaisuuksiltaan tylppägrafiittirauta on suomugrafiittivaluraudan ja pallografiittivaluraudan välimuoto. Sen mekaaniset ominaisuudet ovat paremmat kuin suomugrafiittivaluraudoilla, mutta sen lämmönjohtavuus on huonompi. Se myös kestää paremmin nopeita lämpötilanvaihteluja ( terminen shokki) ja sillä on paremmat vaimennusominaisuudet kuin pallografiittivaluraudalla. Tylppägrafiittivaluraudan tyypillisiä käyttökohteita ovat komponentteja joiden pitää kestää lämpötilan vaihteluja ja olla mekaanisesti kestävämpiä kuin suomugrafiittivalurauda.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. 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, 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. 940-1070 °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 hiilipitoisuuden 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 kulkuväline- ja sähköteollisuuden suursarjatuotteet, joissa tarvitaan hyvää työstettävyyttä ja sitkeyttä, hyvää vaimennuskykyä ja pallografiittivaluraudan mekaanisia ominaisuuksia sekä hyvää hitsattavuutta.