Rautavalujen tyypit
Rautavalujen tyypit
Tässä luvussa käsitellään erilaisia rautavalutyyppejä.
Harmaa rautavalu
Harmaan valuraudan ominaisuus on graafinen mikrorakenne, joka pystyy aiheuttamaan murtumia materiaaliin ja saamaan harmaaksi ulkonäön. Tämä on yleisimmin käytetty valurautatyyppi ja myös yleisesti käytetty valumateriaali painon perusteella. Suurimman osan harmaavaluraudoista hajoaa kemiallisesti 2,5–4 prosenttia hiiltä, 1–3 prosenttia silikonia ja loput ovat raudan koostumusta.
Tämän tyyppisellä valuraudalla on vähemmän vetolujuutta ja pienempi iskunkesto verrattuna teräkseen. Sen puristuslujuus on verrattavissa matala- ja keskihiiliseen teräkseen.
Kaikkia näitä mekaanisia ominaisuuksia säätelevät grafiittihiutaleen muoto ja grafiittihiutaleiden koko, jotka ovat läsnä harmaan valuraudan mikrorakenteessa.
Valkoinen rautavalu
Tämän tyyppisessä raudassa on murtuneet pinnat, jotka ovat valkoisia johtuen sementiitiksi kutsutun rautakarbidisakan läsnäolosta. Valkoisen valuraudan sisältämä hiili saostuu sulatuksesta täytettynä stabiilina faasina sementiittinä eikä grafiittina. Tämä saavutetaan pienemmällä piipitoisuudella grafitointiaineena ja nopeammalla jäähdytysnopeudella. Tämän saostumisen jälkeen sementiitti muodostuu suuriksi hiukkasiksi.
Rautakarbidin saostuksen aikana sakka imee hiiltä alkuperäisestä sulatuksesta ja siirtää siten seosta kohti sellaista, joka on lähempänä eutektiikkaa. Jäljelle jäävä vaihe laskee raudan hiiliausteniitiksi, joka muuttuu jäähtyessään martensiitiksi.
Nämä sisältämät eutektiset karbidit ovat liian suuria tarjotakseen etua sadekovettumisesta. Joissakin teräksissä saattaa olla paljon pienempiä sementiittisakkoja, jotka saattavat aiheuttaa muovin muodonmuutoksia estämällä dislokaatioiden liikkumisen puhtaan rautaferriittimatriisin läpi. Niillä on etu, koska ne lisäävät valuraudan bulkkikovuutta yksinkertaisesti oman kovuutensa ja tilavuusosuutensa vuoksi. Tämä johtaa siihen, että bulkkikovuus voidaan arvioida sekoitusten säännöllä.
Tämä kovuus tarjotaan joka tapauksessa sitkeyden kustannuksella. Valkoinen valurauta voidaan yleisesti luokitella sementiksi, koska kovametalli muodostaa suuremman osan materiaalista. Valkorauta on liian hauras käytettäväksi rakenneosissa, mutta hyvän kovuuden, kulutuskestävyyden ja alhaisten kustannusten vuoksi sitä voidaan käyttää lietepumppujen kulutuspintana.
Paksuja valukappaleita on vaikea jäähdyttää nopeammalla nopeudella, mikä riittää jähmettämään sulan valkoiseksi valuraudaksi, mutta nopeaa jäähdytystä voidaan kuitenkin käyttää valkoisen valuraudan jähmettämiseksi ja tämän jälkeen loput siitä jäähtyä hitaammin muodostaen näin harmaan valuraudan ytimen. Tätä tuloksena olevaa valua kutsutaan jäähdytysvaluksi, ja se sisältää kovan pinnan, mutta sitkeämmän sisustuksen edut.
Korkean kromipitoiset valkoiset rautaseokset pystyivät sallimaan massiivisen noin 10 tonnin juoksupyörän hiekkavalun. Tämä johtuu siitä tosiasiasta, että kromi vähentää jäähdytysnopeutta, joka tarvitaan karbidien valmistukseen suuremman materiaalin paksuuden kautta. Kromielementeistä valmistetaan myös erinomaisen kulutuskestävyyden omaavia karbideja.
Takorautavalu
Tempervalurauta alkaa valkorautavaluna, sitten lämpökäsitellään noin 950°C:n lämpötiloissa kahden tai yhden päivän ajan, minkä jälkeen sitä jäähdytetään saman ajan.
Rautakarbidissa oleva hiili muuttuu sitten grafiitiksi ja ferriitiksi sekä hiileksi tämän kuumennus- ja jäähdytysprosessin ansiosta. Tämä on alhainen prosessi, mutta sen avulla pintajännitys muuttaa grafiitin pallomaisiksi hiukkasiksi hiutaleiden sijaan.
Sferoidit ovat suhteellisen lyhyitä ja kauempana toisistaan alhaisen kuvasuhteensa vuoksi. Niissä on myös pienempi poikkileikkaus, etenevä halkeama ja fotoni. Toisin kuin hiutaleet, ne sisältävät tylsiä rajoja, jotka osallistuvat harmaan valuraudan jännityskeskittymisongelmien lievittämiseen. Kaiken kaikkiaan tempervaluraudan sisältämät ominaisuudet ovat enemmän kuin luonteeltaan mieto teräs.
Pallorautavalu
Tässä valuraudassa, jota joskus kutsutaan nodulaariseksi valuraudaksi, grafiitti on hyvin pienten kyhmyjen muodossa, ja grafiitilla on samankeskisiä kerroksia, jotka muodostavat siten kyhmyt. Tästä johtuen ominaisuudetpallografiittivalurautaaovat sienimäistä terästä, jolla ei ole grafiitin hiutaleiden aiheuttamia jännityskeskittymisvaikutuksia.
Hiilen pitoisuus on noin 3–4 prosenttia ja piin noin 1,8–2,8 prosenttia. Pienet määrät 0,02-0,1 prosenttia magnesiumia ja vain 0,02-0,04 prosenttia ceriumia näihin seoksiin lisättynä hidastavat grafiitin saostuman kasvua grafiittikaistan reunoihin sitoutumisen kautta.
Hiilellä voi olla mahdollisuus erottua pallomaisina hiukkasina materiaalin jähmettyessä, johtuen muiden elementtien huolellisesta hallinnasta ja oikeasta ajoituksesta prosessin aikana. Tuloksena olevat hiukkaset ovat samanlaisia kuin tempervalurauta, mutta osia voidaan valaa suuremmilla osilla.
Seoselementit
Valuraudan ominaisuuksia muutetaan ja lisätään erilaisiin valuraudan seosaineisiin tai seosaineisiin. Hiilen kanssa linjassa alkuaine pii, koska sillä on kyky pakottaa hiiltä ulos liuoksesta. Pienempi prosenttiosuus piitä ei pysty täysin saavuttamaan tätä, koska se sallii hiilen jäädä liuokseen muodostaen näin rautakarbidia ja tuottaa myös valkoista valurautaa.
Suurempi prosenttiosuus tai piin pitoisuus pystyy pakottamaan hiilen pois liuoksesta ja muodostamaan sitten grafiittia ja tuottamaan myös harmaata valurautaa. Muita seostusaineita, joita ei ole mainittu, ovat mangaani, kromi, titaani ja sitten vanadiini. Nämä vastustavat piitä, ne edistävät myös hiilen pidättämistä ja siten myös karbidien muodostumista. Nikkelillä ja alkuainekuparilla on etu, koska ne lisäävät lujuutta ja työstettävyyttä, mutta ne eivät sitten pysty muuttamaan muodostuvan hiilen määrää.
Grafiitin muodossa oleva hiili saa aikaan pehmeämmän raudan, mikä vähentää kutistumisen vaikutusta, alentaa lujuutta ja pienentää sisällä olevaa tiheyttä. Rikki on enimmäkseen saastuttava aine, ja se muodostaa rautasulfidia, joka estää grafiitin muodostumisen ja lisää myös kovuutta.
Rikin aiheuttama haitta on, että se tekee sulasta valuraudasta viskoosia, mikä aiheuttaa vikoja. Rikin vaikutusten huomioimiseksi ja poistamiseksi liuokseen lisätään mangaania. Tämä tehdään, koska kun nämä kaksi yhdistetään, ne muodostavat mangaanisulfidin rautasulfidin sijasta. Tuloksena oleva mangaanisulfidi on sulaa kevyempää ja pyrkii kellumaan ulos sulatuksesta ja joutumaan kuonaan.
Rikin vaikutusten kumoamiseen tarvittava mangaanin määrä on noin 1,7 yksikköä rikkipitoisuudesta ja päälle on lisätty 0,3 prosenttia. Mangaanimäärää suuremman määrän lisääminen johtaa mangaanikarbidin muodostumiseen, mikä lisää kovuutta ja jäähdytystä paitsi harmaaraudassa, jossa jopa 1 prosentti mangaania voi lisätä lujuutta ja sisältämää tiheyttä. Nikkeli on yksi yleisimmistä seosaineista, koska sillä on taipumus jalostaa perliittiä ja grafiitin rakennetta, mikä parantaa sitkeyttä ja tasoittaa leikkauspaksuuksien välistä kovuuseroa.
Kromia lisätään pieninä määrinä vapaan grafiitin vähentämiseksi ja jäähdytyksen aikaansaamiseksi. Tämä johtuu siitä, että kromi on voimakas kovametallistabilisaattori, ja joissain tapauksissa se voi toimia yhdessä nikkelin kanssa. Myös kromille voidaan lisätä pieni korvaava määrä tinaa. Kuparia lisätään senkkaan tai uuniin 0,5-2,5 prosentin suuruusluokkaa jäähdytyksen alentamiseksi, grafiitin jalostamiseksi ja juoksevuuden lisäämiseksi. Molybdeeniä voidaan myös lisätä luokkaa 0,3 - 1 prosentti lisäämään myös jäähdytystä, jalostamaan grafiittia ja jalostamaan perliittirakennetta.
Se lisätään yleensä nikkelin, kuparin ja kromin linjassa korkealujuuksisten rautojen tuottamiseksi. Alkuaine titaani on lisätty toimimaan kaasunpoistajana ja hapettimena ja lisäämään juoksevuutta. Valurautaan lisätään 0,15–0,5 prosenttia elementtiä vanadiinia ja se auttaa stabiloimaan sementiittiä, lisäämään kovuutta ja vastustamaan kulumista ja lämpövaikutuksia.
Zirkonium auttaa muodostamaan grafiittia ja sitä lisätään suhteissa noin 0,1-0,3 prosenttia. Tämä alkuaine auttaa myös poistamaan hapettumista ja lisäämään juoksevuutta. Takaraudan sulatteisiin lisätään vismuttia 0,002 prosentista 0,01 prosenttiin, jotta voidaan lisätä piin määrää. Valkoiseen rautaan lisätään alkuaine booria, mikä edistää muokattavan raudan tuotantoa ja vähentää vismuttielementin karkeuttamisvaikutusta.