lataa se tästä linkistä koneellesi - ValuAtlas
lataa se tästä linkistä koneellesi - ValuAtlas
lataa se tästä linkistä koneellesi - ValuAtlas
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet<br />
Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu<br />
Pentti Toivonen, Teknillinen korkeakoulu<br />
Valuraudan ja valuteräk<strong>se</strong>n raaka‐ainekanta muodostuu metallisista raaka‐aineista, <strong>se</strong>osaineista,<br />
metallurgista lisäaineista ja metallurgista apuaineista. Metallisia raaka‐aineita ovat harkkoraudat,<br />
valurautaromu ja teräsromu. Seosaineet koostuvat erilaisista runsaspro<strong>se</strong>nttisista ferro<strong>se</strong>oksista tai<br />
tekni<strong>se</strong>sti puhtaista aineista. Metallurgisia lisäaineita ovat hiiletys‐, ymppäys‐ ja palloutusaineet.<br />
Metallurgisia apuaineita ovat mm. kalkkikivi, kalkki, fluorisälpä, sooda ja kalsiumkarbonaatti.<br />
Valuraudan sulatuk<strong>se</strong>ssa on harkkorauta aikai<strong>se</strong>mmin ollut tärkein raaka‐aine. Metallurgisten<br />
menetelmien kehittymi<strong>se</strong>n johdosta ovat romun käyttömahdollisuudet lisääntyneet. Toisaalta on<br />
kuitenkin todettava myös harkkoraudan a<strong>se</strong>man <strong>se</strong>lvä vahvistuminen laatuvaatimuk<strong>se</strong>llisten<br />
valu<strong>se</strong>osten, erityi<strong>se</strong>sti pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa. Tämä aiheutuu siitä, että rautame‐<br />
tallien romukierto on entistä pahemmin häiriytynyt <strong>se</strong>osmetallien lisääntyvän käytön johdosta ja<br />
muitakin epäpuhtautena <strong>se</strong>uraavia alkuaineita on yhä vaikeampi välttää. Valuteräk<strong>se</strong>n valmistuk‐<br />
<strong>se</strong>ssa on teräsromu perintei<strong>se</strong>sti ollut tärkein raaka‐aine.<br />
Ferriittis‐perliitti<strong>se</strong>ssä teräk<strong>se</strong>ssä perliitin osuuden määrää ensisijai<strong>se</strong>sti hiilipitoisuus. Niukkahiili‐<br />
<strong>se</strong>n ferriitin ja enemmän hiiltä sisältävän perliitin keskinäinen suhde riippuu mm.<br />
kokonaishiilipitoisuudesta. Runsashiili<strong>se</strong>mmät ferriittis‐perliitti<strong>se</strong>t teräk<strong>se</strong>t sisältävät siten enem‐<br />
män perliittiä. Valuraudoissa <strong>se</strong>n sijaan hiiltä on <strong>se</strong>kä metalli<strong>se</strong>ssa matriisissa että grafiittina. Niinpä<br />
matriisissa olevan hiilen määrä voi vaihdella suurestikin. Matriisin ferriitti‐perliitti ‐suhtee<strong>se</strong>en<br />
valuraudoissa vaikuttavat ferritoivat ja perlitoivat aineet.<br />
Seosaineet muuttavat valuraudoilla <strong>se</strong>kä eutektista koostumusta että eutektisia lämpötiloja. Eutek‐<br />
tisten lämpötilojen (stab./metastab.) välinen ero on muutettavissa ratkai<strong>se</strong>vasti. Tämä vaikuttaa<br />
suoraan valkoi<strong>se</strong>na jähmettymi<strong>se</strong>n vaaraan. Ns. grafitoivien aineiden tärkein vaikutus tähän on<br />
stabiilin systeemin eutekti<strong>se</strong>n lämpötilan nosto ja metastabiilin systeemin vastaavan laskeminen.<br />
Näin karbidien muodostuminen tai suorastaan valkoi<strong>se</strong>na jähmettyminen vaatii suurempaa alijääh‐<br />
tymistä. Ns. karbidoivat aineet vastaavasti kaventavat tai jopa hävittävät kokonaan eutektisten<br />
lämpötilojen välin. Näin ne siis helpottavat karbidien muodostumista. Tietyt tavalli<strong>se</strong>t <strong>se</strong>osaineet<br />
muuttavat em. lämpötiloja samansuuntai<strong>se</strong>sti tai tuskin ollenkaan. Niiden vaikutus jähmettymisra‐<br />
kentee<strong>se</strong>en on vastaavasti vähäi<strong>se</strong>mpi. Jähmettymisrakenne on tärkein lujuuteen ja<br />
käyttöominaisuuksiin vaikuttava tekijä. Kullakin <strong>se</strong>osaineella on omat vaikutuk<strong>se</strong>nsa austeniitin<br />
hajautumistuloksiin (eli eutektoidi<strong>se</strong>en reaktioon), eikä näitä tule <strong>se</strong>koittaa keskenään.<br />
Seosaineiden vaikutus eutektoidi<strong>se</strong>en pistee<strong>se</strong>en on otettava huomioon teräksillä. U<strong>se</strong>immat tär‐<br />
keistä <strong>se</strong>osaineista kohottavat eutektoidista pistettä vastaavaa lämpötilaa ja kaikki pienentävät sitä<br />
hiilipitoisuutta. Näin <strong>se</strong>osaineet vaikuttavat jo tasapainoa vastaaviin rakenteisiin. Mutta vielä tärke‐<br />
ämpi on nimenomaan pienten <strong>se</strong>osainemäärien kohdalla niiden vaikutus austeniitin<br />
hajaantumi<strong>se</strong>en ja muihin teräk<strong>se</strong>n rakenteessa eri lämpökäsittelyjen yhteydessä tapahtuviin muu‐<br />
toksiin. Seosaineet eivät vaikuta pelkällä läsnäolollaan vaan vaikutuk<strong>se</strong>t mekaanisiin<br />
ominaisuuksiin perustuvat niihin vaikutuksiin, joita <strong>se</strong>osaineilla on teräk<strong>se</strong>n rakentee<strong>se</strong>en. Kuhun‐<br />
kin rakentee<strong>se</strong>en liittyvät tietyt ominaisuudet ja <strong>se</strong>osaineet vain auttavat tämän rakenteen<br />
muodostumista lämpökäsittelyssä.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 1
Sulaton tärkeimmät raaka‐aineet<br />
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Valuraudan ja valuteräk<strong>se</strong>n raaka‐ainekanta muodostuu metallisista raaka‐aineista, <strong>se</strong>osaineista,<br />
metallurgista lisäaineista ja metallurgista apuaineista. Metallisia raaka‐aineita ovat harkkoraudat,<br />
valurautaromu ja teräsromu. Seosaineet koostuvat erilaisista runsaspro<strong>se</strong>nttisista ferro<strong>se</strong>oksista tai<br />
tekni<strong>se</strong>sti puhtaista aineista. Metallurgisia lisäaineita ovat hiiletys‐, ymppäys‐ ja palloutusaineet.<br />
Metallurgisia apuaineita ovat mm. kalkkikivi, kalkki, fluorisälpä, sooda ja kalsiumkarbonaatti.<br />
Valuraudan sulatuk<strong>se</strong>ssa on harkkorauta aikai<strong>se</strong>mmin ollut tärkein raaka‐aine. Metallurgisten<br />
menetelmien kehittymi<strong>se</strong>n johdosta ovat romun käyttömahdollisuudet lisääntyneet. Toisaalta on<br />
kuitenkin todettava myös harkkoraudan a<strong>se</strong>man <strong>se</strong>lvä vahvistuminen laatuvaatimuk<strong>se</strong>llisten<br />
valu<strong>se</strong>osten, erityi<strong>se</strong>sti pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa. Tämä aiheutuu siitä, että rautame‐<br />
tallien romukierto on entistä pahemmin häiriytynyt <strong>se</strong>osmetallien lisääntyvän käytön johdosta ja<br />
muitakin epäpuhtautena <strong>se</strong>uraavia alkuaineita on yhä vaikeampi välttää. Valuteräk<strong>se</strong>n valmistuk‐<br />
<strong>se</strong>ssa on teräsromu perintei<strong>se</strong>sti ollut tärkein raaka‐aine.<br />
Valuterästen laatuvalikoima edellyttää tiettyjen ohjeanalyysien varsin tarkkaa noudattamista.<br />
Valuraudat <strong>se</strong>n sijaan jaetaan lujuus‐ ja kovuusluokkiin. Valimoille on annettu vapaus peruskoos‐<br />
tumuk<strong>se</strong>n valinnassa mm. siksi, että valimot käyttävät erilaisia raaka‐aineita ja<br />
sulanvalmistusmenetelmiä. Halutut ohjeanalyysit toteutetaan u<strong>se</strong>in pääraaka‐aineiden ja niiden<br />
käyttösuhteen valinnalla, mutta tavallista on myös, että turvaudutaan runsaspitoisiin <strong>se</strong>ostusainei‐<br />
siin tietyn alkuaineen lisäämi<strong>se</strong>ksi koostumuk<strong>se</strong>en. Jotkut alkuaineet voidaan lisätä tekni<strong>se</strong>sti<br />
puhtaina kuten hiili grafiittina ja kupari ja nikkeli metalleina, kun taas monet lisätään runsaspro‐<br />
<strong>se</strong>nttisina ferro<strong>se</strong>oksina. U<strong>se</strong>iden alkuaineiden, esimerkiksi kromin ja mangaanin, valmistus<br />
puhtaana on kallista. Toinen syy rauta<strong>se</strong>osten käyttöön on niiden helppoliukoisuus sulaan rautaan<br />
tai teräk<strong>se</strong>en. Lisäksi ferro<strong>se</strong>oksilla vaikutetaan jähmettyvien metallien lujuusominaisuuksiin ja<br />
kiderakentee<strong>se</strong>en. Seosaineiden avulla voidaan myös poistaa haitallisia epäpuhtauksia, kuten<br />
happea tiivistysaineilla ja rikkiä kalsiumyhdisteillä.<br />
Teräsromun käyttö valuraudan raaka‐aineena on yleistynyt. Sulatuk<strong>se</strong>n yhteydessä on siihen liuo‐<br />
tettava hiiltä, niin että saavutetaan valuraudalle ominainen haluttu hiilipitoisuuden taso.<br />
Sulatuk<strong>se</strong>n tapahtuessa kupoliuunissa liukenee tarvittava hiili polttoaineena käytettävästä koksista.<br />
Sähköuunisulatuk<strong>se</strong>ssa lisätään panok<strong>se</strong>en tai sulaan rautaan tai teräk<strong>se</strong>en hiiletystä varten grafiit‐<br />
tia, koksia tai muuta hiilirikasta tuotetta.<br />
Ymppäysaineet ovat tehoaineita, joiden avulla määrälli<strong>se</strong>sti pienillä lisäyksillä saadaan aikaan<br />
ajalli<strong>se</strong>sti rajoitettu vaikutus sulan metallin jähmettymistapahtuman kulkuun. Tulok<strong>se</strong>na on edulli‐<br />
<strong>se</strong>mpi kiderakenne ja paremmat ominaisuudet. Muutos koostumuk<strong>se</strong>ssa on yleensä vähäinen.<br />
Pallografiittivaluraudoissa pyritään grafiitti kiteyttämään pallomai<strong>se</strong>n muotoon, jolloin raudalle<br />
saadaan paremmat lujuusominaisuudet, suurempi vetolujuus ja parempi sitkeys. Grafiitin pallou‐<br />
tuminen saadaan aikaan lisäämällä sulaan rautaan hieman ennen valua palloutusainetta, joka<br />
tavalli<strong>se</strong>sti sisältää magnesiumia. Jotta palloutuminen tapahtuisi, pitää raudan rikkipitoisuuden olla<br />
pieni. Pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa on käytettävä puhtaita ja analyysiltään tunnettuja<br />
raaka‐aineita, jotta palloutumista ehkäi<strong>se</strong>viä aineita ei tulisi panok<strong>se</strong>n mukana rautaan.<br />
Kalkkikiveä käytetään kuonan muodostajana raudan kupoliuunisulatuk<strong>se</strong>ssa. Kalkkikiven merkitys<br />
kuonanmuodostajana perustuu siihen, että kalkkikivi sitoo uunin vuorauk<strong>se</strong>sta tai panok<strong>se</strong>sta<br />
peräisin olevaa vaikeasti sulavaa, hapanta piidioksidia helposti sulavaksi kalsiumsilikaatiksi, jolloin<br />
kuona tulee helppo liukoi<strong>se</strong>ksi. Kalkkikiveä kuumentamalla saadaan poltettua kalkkia, jota käyte‐<br />
tään kuonan muodostajana teräsuuneissa ja <strong>se</strong>nkkametallurgiassa. Fluorisälpä parantaa kuonan<br />
juok<strong>se</strong>vuutta vähentäen siten raudan sulatustappioita ja edistäen rikin siirtymistä kuonaan. Fluo‐<br />
risälpä syövyttää uunin vuorausta erittäin voimakkaasti, josta syystä <strong>se</strong>n käyttöön turvaudutaan<br />
happamessa sulatuk<strong>se</strong>ssa yleensä vain häiriötapauksissa. Vesijäähdytetyissä, vuorauk<strong>se</strong>ttomissa<br />
uuneissa emäksi<strong>se</strong>sti sulatettaessa käytetään runsasta kalkkikivilisäystä, silloin on tavanomaista<br />
käyttää kalkkikiven ohella fluorisälpää kuonan saami<strong>se</strong>ksi juok<strong>se</strong>vammaksi. Sooda eli natriumkar‐<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 2
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
bonaatti (Na2CO3) on vahvasti emäksinen aine, jota käytetään rikinpoistoon kalkkikiven ohella.<br />
Kalsiumkarbidia CaC2 käytetään pulverimai<strong>se</strong>na valurautojen rikinpoistoon.<br />
Harkkorauta. Harkkoraudan valmistus tapahtuu pääasialli<strong>se</strong>sti malmiraaka‐aineesta tavallisimmin<br />
koksia käyttävissä masuuneissa. Valokaari‐ ja induktiosähköuuneilla voidaan valmistaa synteettistä<br />
harkkorautaa sulattamalla ja hiilettämällä teräs‐ tai valurautaromua. Analyysin perusteella harkot<br />
jaetaan kahteen pääryhmään: hematiittiharkkorauta, jonka fosforipitoisuus on alle 0,1 % <strong>se</strong>kä<br />
fosforiharkkorauta, jonka fosforipitoisuus on tavallisimmin 0,6–0,9 %. Synteettinen sähköharkko‐<br />
rauta sisältää u<strong>se</strong>in pieniä määriä romun mukana kulkeutuneita <strong>se</strong>osaineita, joiden vaikutus on<br />
yleensä kovuutta ja lujuutta lisäävä. Joissakin tapauksissa tällai<strong>se</strong>t <strong>se</strong>osaineet voivat olla peräisin<br />
myös malmista. Pallografiittivaluraudan valmistus a<strong>se</strong>ttaa käytettäville raaka‐aineille erityisiä<br />
puhtausvaatimuksia. Nämä vaatimuk<strong>se</strong>t täyttävät harkkoraudat muodostavatkin erityi<strong>se</strong>n laatu‐<br />
ryhmän. Harkkojen luokittelu ja arvostaminen pohjautuu kemialli<strong>se</strong>en analyysiin. Kummankin<br />
fosforipitoisuuden tasoon perustuvan ryhmän puitteissa tapahtuu luokittelu piipitoisuuden mu‐<br />
kaan. Tavanomaista on jako luokkiin noudattaen 0,5 % Si porrastusta vaihtelurajojen ollessa ± 0,25<br />
%. Hiilipitoisuus ilmoitetaan ohjeena.<br />
Raaka‐aineista ja valmistusmenetelmästä riippuvilla tekijöillä, kuten mm. eri alkuperää olevien<br />
harkkojen erilaisilla hivenainekannoilla ja kiteytymisytimien laadulla, on huomattava vaikutus<br />
raudan ominaisuuksiin uudelleensulatettuna. Nämä ominaisuu<strong>se</strong>rot, jotka käytännössä ilmenevät<br />
erilai<strong>se</strong>na taipumuk<strong>se</strong>na kovempaan ja lujempaan tai pehmeämpään ja heikompaan, mutta hel‐<br />
pommin työstettävään lopputuottee<strong>se</strong>en, voidaan käytännössä täysin tasottaa valuraudan<br />
ohjeanalyysin muutoksilla ja metallurgisilla toimenpiteillä. Myös romun kasvanut osuus panostuk‐<br />
<strong>se</strong>ssa on vähentänyt näiden ns. periytyvien tekijöiden merkitystä.<br />
Kuva 1. Rautaharkkoja.<br />
Erilaisten sähköuunien käytön yleistyminen vali‐<br />
moissa on erittäin huomattavasti lisännyt ostetun<br />
valurauta‐ ja teräsromun käyttömahdollisuuksia<br />
valimoiden ʺuutenaʺ raaka‐aineena, jolloin harkko‐<br />
raudan osuus sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ainekannassa on<br />
vastaavasti vähentynyt. Valimoharkkorautoja<br />
tarvitaan kuitenkin edelleen tapauksissa, joissa<br />
sulatusmenetelmä sinänsä ei mahdollista niukka‐<br />
hiili<strong>se</strong>mmän romuraaka‐aineen hiiletystä valmiin<br />
rautasulan tavoitehiilipitoisuuteen ilman jälkikäsit‐<br />
telyä. Toinen motiivi on romun mukana panok<strong>se</strong>en<br />
kulkeutuvien tavoitekoostumuk<strong>se</strong>en kuulumatto‐<br />
mien <strong>se</strong>osmetallien <strong>se</strong>kä häirit<strong>se</strong>vien alkuaineiden<br />
välttäminen tai niiden määrän rajoittaminen a<strong>se</strong>tet‐<br />
tua enimmäisarvoihin lopulli<strong>se</strong>ssa tuotteessa.<br />
Synteetti<strong>se</strong>t sähköharkkoraudat valmistetaan tavalli<strong>se</strong>sti pienehköllä hiilipitoisuudella ja kun ne<br />
sisältävät pieniä määriä romun mukana tulleita <strong>se</strong>osaineita, niille taipumus perliitti<strong>se</strong>en rakentee‐<br />
<strong>se</strong>en on luonteenomaista. Ne soveltuvat <strong>tästä</strong> syystä parhaiten konerakennevaluun.<br />
Pallografiittivaluraudan valmistustekniikka edellyttää erittäin puhtaita raaka‐aineita. Käytettävä<br />
harkkorauta ei saa sisältää alkuaineita, joiden läsnäolo pieninä määrinäkin estää grafiitin kiteytymi‐<br />
<strong>se</strong>n pallomai<strong>se</strong>na eikä varsinkaan ferriittistä ja ferriittis‐perliittistä pallografiittivalurautaa<br />
valmistettaessa perliittiä suosivia alkuaineita. Edellisistä mainittakoon antimoni, ar<strong>se</strong>eni, titaani,<br />
vismutti ja lyijy. Kahden viimemainitun sietoraja on vain 0,002 %. Jälkimmäisiä ovat tina, kromi,<br />
vanadiini ja molybdeeni. Valmistettaessa ferriittistä pallografiittivalurautaa ilman lämpökäsittelyä<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 3
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
tulee myös mangaani‐, nikkeli‐ ja kuparipitoisuuksien olla mahdollisimman pienet. Pallografiittiva‐<br />
luraudan valmistuk<strong>se</strong>en soveltuvat SG‐harkkoraudat voidaan jakaa kahteen ryhmään:<br />
1. Puhtaista raaka‐aineista valmistetut harkkoraudat, joiden mangaanipitoisuus on kohtalai<strong>se</strong>n<br />
pieni (alle 0,25 %) <strong>se</strong>kä fosfori‐ ja rikkipitoisuudet mahdollisimman pienet,<br />
2. Happipuhallettu harkkorauta, jonka mangaanipitoisuus on erittäin pieni (alle 0,05 %) ja jossa<br />
myöskään ei esiinny häirit<strong>se</strong>viä hivenaineita.<br />
Teräsvalimot käyttävät harkkorautaa valokaari‐ ja induktiouuneissa hiilipitoisuuden nostoon.<br />
Hiilen saanti panok<strong>se</strong>n ʺtakkiraudastaʺ on parempaa kuin tavanomaisista hiiletysaineista, kuten<br />
koksista tai grafiitista. Valurautavalimoissa harkkorauta on valurautaromun ohella tärkein raaka‐<br />
aine. Induktio‐ ja kupoliuuneissa harkkorauta nopeuttaa teräk<strong>se</strong>n ja valuraudan sulamista. Valo‐<br />
kaariuuneissa on tavallista käyttää koksia ja harkkorautaa samanaikai<strong>se</strong>sti panok<strong>se</strong>ssa.<br />
Romu. Valimoiden käyttämä romu on arvokasta raaka‐ainetta, joka myös muodostaa suurimman<br />
osan valimoiden materiaalikustannuksista. Romun raaka‐ainekustannuk<strong>se</strong>t ovat myös yleensä<br />
suurempia kuin energiakustannuk<strong>se</strong>t. Valuteräk<strong>se</strong>n sulatus valokaari‐ tai induktiouunissa vaatii<br />
noin 700 kWh terästonnia kohti. Energian hinnalla 0,30 mk/kWh ovat sulatuskustannuk<strong>se</strong>t 210 mk/t.<br />
Hyvälaatui<strong>se</strong>n teräsromun keskihinta oli vuonna 1998, 360 mk/t. Kupoliuunit käyttävät noin 15 %<br />
koksia panok<strong>se</strong>n painosta. Koksin hinnalla 1700 mk/t ovat energiakustannuk<strong>se</strong>t noin 255 mk/t.<br />
Värimetallien sulattami<strong>se</strong>en tarvitaan vain 50–60 % teräk<strong>se</strong>n sulattami<strong>se</strong>en vaadittavasta energiasta.<br />
Koska värimetallit ovat huomattavasti kalliimpia kuin teräsromu, korostuu metalliromun hinnan<br />
osuus metallivalimoiden kokonaiskustannuksista.<br />
Kuva 2. Va<strong>se</strong>mmalla: Ostoromua romuvarastossa. Oikealla: Romua panostusastioissa<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 4
Kuva 3. Romua<br />
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 5
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Kuva 4. Valukkeita. Valimon sisäistä kiertoromua.<br />
Valurautaromu. Asialli<strong>se</strong>sti lajiteltuna romu on yleensä hyvin käyttökelpoista ja taloudelli<strong>se</strong>sti<br />
edullista raaka‐ainetta. Koska ostetun valurautaromun aineosana tulee panok<strong>se</strong>en aina merkittävä<br />
määrä rikkiä ja kun <strong>se</strong>n koostumus harvoin on tarkoin tunnettua, rajoitetaan ostoromun osuus<br />
sulatuspanok<strong>se</strong>ssa yleensä tiettyyn enimmäismäärään. Sekalai<strong>se</strong>n ostetun valurautaromun korkea‐<br />
hko fosforipitoisuus rajoittaa <strong>se</strong>n käytön tavalli<strong>se</strong>sti fosforiharkkoraudan korvaami<strong>se</strong>en. Ostetun<br />
valurautaromun ohella sisältyy sulatuspanok<strong>se</strong>en melkein poikkeuk<strong>se</strong>tta kiertoromua, joka koostuu<br />
valukkeista ja hylkykappaleista. Sen osuus sulatuspanok<strong>se</strong>ssa a<strong>se</strong>ttautuu ky<strong>se</strong>i<strong>se</strong>n valimon saanto‐<br />
pro<strong>se</strong>nttia vastaavalle keskimääräi<strong>se</strong>lle tasolle. Kiertoromun koostumus on hyvin tunnettu.<br />
Tärkeätä on huolehtia, että u<strong>se</strong>ita rautalaatuja valmistavissa valimoissa eri laatujen kiertoromut<br />
ohjataan takaisin oman laatunsa valmistuk<strong>se</strong>en.<br />
Valurautaromun luokittelu. Kaupallisia luokittelunormeja valurautaromua varten ei Suomessa ole.<br />
Romun myynnissä ja vastaanotossa a<strong>se</strong>tetaan valurautaromulle tavalli<strong>se</strong>sti <strong>se</strong>uraavat vaatimuk<strong>se</strong>t:<br />
− Kappalesuuruus saa olla enintään 60 x 60 x 20 cm edellyttäen, ettei paino ylitä 80kg.<br />
− Vähintään kämmenen tai nyrkin kokoisia kappaleita.<br />
− Romun tulee olla harmaata valurautaa. Myös SG‐rauta (pallografiittivalurauta) hyväksy‐<br />
tään lajitelmaan, ei kuitenkaan adusoitua rautaa (tempervalua).<br />
− Kiinnityspultteja, ruuveja ym. kappalee<strong>se</strong>en verrattuna pieniä teräsosia ei tarvit<strong>se</strong> irrottaa,<br />
mutta niiden määrä ei saa ylittää 10 % romun painosta.<br />
− Romusta on poistettava kupari, messinki, pronssi, ruostumaton teräs, kuumuuden, kulu‐<br />
tuk<strong>se</strong>n tai syöpymi<strong>se</strong>n kestävät osat, kevytmetallit, laakerimetallit, sinkki, lyijy, rikki, kumi,<br />
kipsi, eristimet, <strong>se</strong>mentti, puu ym. hukka‐aines.<br />
Sulatusmenetelmän valurautaromulle a<strong>se</strong>ttamat vaatimuk<strong>se</strong>t. Kupoliuunin häiriötön toiminta<br />
edellyttää tasaista, sopivaa kappalesuuruutta. Painorajoituk<strong>se</strong>n (enintään 80 kg) lisäksi on tärkeää,<br />
ettei kappaleiden suurin pituusmitta ylitä 1/3 käytettävän kupoliuunin sisäläpimitasta; tämä kos‐<br />
kee, myös ohutta romua. Lyhytaikai<strong>se</strong>tkin, helposti huomaamatta jäävät pysähdyk<strong>se</strong>t panospilarin<br />
vajoami<strong>se</strong>ssa vaikuttavat raudan laatuun ja lämpötilaan. Toisaalta romun palakoko ei saa olla liian<br />
pientä, koska romun hapettuminen lisääntyy ja ominaispinta‐alan kasvaessa myös rikin siirtyminen<br />
koksista rautaan lisääntyy. Myöskään kalkkikivi ei saa olla liian hienojakoista, koska muuten <strong>se</strong><br />
tukkii puhallusilman kulun.<br />
Induktiouunisulatuk<strong>se</strong>en soveltuu vain puhdas, valikoitu valurautaromu, jonka mukana ei <strong>se</strong>uraa<br />
ruostetta eikä hiekkaa. Lastut ja muu pienikokoinen romu soveltuvat tällä edellytyk<strong>se</strong>llä myös<br />
hyvin. Lastujen tulee olla puhtaita ja kuivia.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 6
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Teräsromu. Harkkoraudan hiilipitoisuus on u<strong>se</strong>immiten huomattavasti suurempi kuin valuraudas‐<br />
sa toivottu ohjearvo. Sulatusmenetelmä voi myös olla voimakkaasti hiilettävä. Näissä tapauksissa<br />
päästään haluttuun valuraudan hiilipitoisuuteen sisällyttämällä panok<strong>se</strong>en sopivaksi havaittu<br />
määrä teräsromua. Kaikki sähköuunit voivat työskennellä kokonaan ilman harkkorautaa ja ostettua<br />
valurautaromua. Hintasuhteista johtuen taloudelli<strong>se</strong>t näkökohdat puoltavat teräsromun käyttöä<br />
raaka‐aineena. Hintavertailua tehtäessä on laskelmissa kuitenkin otettava huomioon teräsromun<br />
käyttöön liittyvinä lisäkustannuksina hiiletyk<strong>se</strong>en tarvittava koksi ja grafiitti <strong>se</strong>kä tarvittavat ferro‐<br />
pii‐ ja ferromangaanilisäyk<strong>se</strong>t. Teräsromu voi panok<strong>se</strong>ssa pienen fosfori‐ ja rikkipitoisuutensa<br />
ansiosta korvata hematiittiharkkorautaa, kunhan hiili‐ ja piipitoisuuksien erilaisuus on otettu huo‐<br />
mioon.<br />
Teräsromun luokittelu. Terästeollisuus on teräsromun suurin kuluttaja. Kaupallinen luokittelu<br />
kuvastaakin ensi sijai<strong>se</strong>sti terästeollisuuden tarpeiden arvostusta. Valimoteollisuuden laatuvaati‐<br />
muk<strong>se</strong>t pyritään toteuttamaan yleisluokitteluun sisällytetyn erikoisluokan avulla ja kunkin tehtaan<br />
a<strong>se</strong>ttamien vastaanottovaatimusten puitteissa. Teräsromuille on romuluokittain määritelty tarkat<br />
laatuvaatimuk<strong>se</strong>t (taulukko).<br />
Pääkohdittain ostoromun on täytettävä <strong>se</strong>uraavat OTR:n yleisten toimitu<strong>se</strong>htojen mukai<strong>se</strong>t romun<br />
puhtaus‐ ja turvallisuusvaatimuk<strong>se</strong>t:<br />
− Teräsromun on oltava <strong>se</strong>ostamatonta.<br />
− Romun joukossa ei saa olla värimetalleja. Romu ei saa olla pahasti palanutta, <strong>se</strong>ostettua,<br />
rikkipitoista eikä metalleilla päällystettyä.<br />
− Romun mukana ei saa lähettää eristäviä kappaleita kuten tiiliä, betonia, kiviä yms. eikä ro‐<br />
mu saa sisältää kemikaaleja, tekstiilejä, muoveja tai muuta roskaa.<br />
− Romu ei saa sisältää vaarallisia aineita, syttyviä tai räjähtäviä aineita tai esineitä. Umpinai‐<br />
<strong>se</strong>t sylinterin tai putken muotoi<strong>se</strong>t esineet on ehdottomasti avattava ja/tai katkaistava.<br />
− Erityi<strong>se</strong>n vaarallisina, romuun kuulumattomina kappaleina, käsitellään erilaisia ammuksia.<br />
Ammuksia ei hyväksytä romun joukossa missään muodossa.<br />
− Romu ei saa sisältää haitallisia radioaktiivisia esineitä tai ainetta.<br />
Seuraavan svun taulukossa esitetään Osuuskunta Teollisuuden Romun luokittelunormit. Normien<br />
pohjana on käytetty EU standardiehdotusta ottaen samalla huomioon Suomen erityistarpeet. Luoki‐<br />
tusnormit eivät siten täysin vastaa EU standardiehdotusta.<br />
Sulatusmenetelmän teräsromulle a<strong>se</strong>ttamat vaatimuk<strong>se</strong>t. Kupoliuunisulatuk<strong>se</strong>ssa ovat kappale‐<br />
kokoon nähden a<strong>se</strong>tettavat vaatimuk<strong>se</strong>t pääpiirteissään samat teräsromulle kuin<br />
valurautaromullekin. Näiden lisäksi romukappaleiden pinta‐ala ei saa ylittää 1/10 uunin poikki‐<br />
leikkauspinta‐alasta. Sähköuuneissa, <strong>se</strong>kä valokaari‐ että induktiouuneissa voidaan hyvin sulattaa<br />
teräslastuja ja ohutlevyromua ilman erikoistoimenpiteitäkin. Koska ohut levy <strong>se</strong>kä pitkä lastu<br />
vaativat paljon säilytystilaa ja ovat hitaita panostaa, tulisi ne kuitenkin ensin joko paketoida tai<br />
katkoa koneelli<strong>se</strong>sti helpommin käsiteltävään muotoon.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 7
Taulukko 1. Romun luokittelunormit<br />
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Luokka Erittely Määritelmä Koko Tilavuus‐<br />
paino<br />
Uusi teräsromu<br />
(palaromu)<br />
Vanha teräsromu<br />
(palaromu)<br />
E2/60 Uusi levyleike, lävistysjäte, muotoraudat tai vastaava. Romun<br />
on oltava mahdollisimman matalamangaanista ja <strong>se</strong>ostamaton‐<br />
ta. Erityi<strong>se</strong>n haitallisia <strong>se</strong>osaineita ovat kromi, kupari, tina ja<br />
lyijy. Pehmeät ja sitkeät teräslaadut, kuten levyt ja rakennete‐<br />
räk<strong>se</strong>t täyttävät tavalli<strong>se</strong>sti nämä vaatimuk<strong>se</strong>t. Romu ei saa olla<br />
maalattua, mutta rautaoksidipitoinen pohjamaali sallitaan.<br />
Toi<strong>se</strong>lla metallilla pinnoitettua tai emaloitua romua ei hyväksy‐<br />
tä. Romu ei saa olla palanutta eikä ruostunutta, ohut<br />
pintaruoste sallitaan. Uutta levyjätettä ei saa toimittaa ʺheinä‐<br />
kuormanaʺ. Stanssauk<strong>se</strong>sta ja muotopoltosta jääneet kehyk<strong>se</strong>t<br />
<strong>se</strong>kä pitkät suikaleet on leikattava siten, että ne sopivat panos‐<br />
tuk<strong>se</strong>ssa litteästi päällekkäin. Ks. OTR:n ylei<strong>se</strong>t toimitu<strong>se</strong>hdot.<br />
E3/60 Vanhaa <strong>se</strong>ostamatonta terästä, valssaus‐, takomo‐ tai valuteräs‐<br />
tuotteita. Lajittelun tulee perustua teräk<strong>se</strong>n<br />
käyttötarkoituk<strong>se</strong>en siten, että mukaan ei oteta <strong>se</strong>llaista erikois‐<br />
romua, jonka käyttötarkoituk<strong>se</strong>nsa perusteella voi epäillä<br />
sisältävän <strong>se</strong>osmetalleja. Romu ei saa olla pahoin syöpynyttä<br />
eikä paksun ruostehil<strong>se</strong>en tai lyijymaalin peittämää. U<strong>se</strong>ita eri<br />
metalleja sisältävistä kappaleista on poistettava kuparimetallit,<br />
<strong>se</strong>ostetut teräsosat, kevytmetallit, sinkki, lyijy, laakerimetallit<br />
<strong>se</strong>kä erilai<strong>se</strong>t ei‐metalli<strong>se</strong>t rakenneosat. Ks. OTR:n ylei<strong>se</strong>t toimi‐<br />
tu<strong>se</strong>hdot.<br />
Max. kappale‐<br />
koko<br />
0,6x0,6x0,2m.<br />
Vähimmäis‐<br />
paksuus 3mm.<br />
Max. kappale‐<br />
koko<br />
0,6x0,6x0,2m.<br />
Vähimmäis‐<br />
paksuus 5mm.<br />
Kappalepaino<br />
vähintään<br />
100g, mutta ei<br />
yli 100kg.<br />
Kappalepaino<br />
vähintään<br />
100g, mutta ei<br />
yli 100kg.<br />
Ohjeellinen analyysi*<br />
Hyväksytyn romun<br />
tyypillinen analyysi:<br />
C 0,15%<br />
Si 0,2%<br />
Mn 1,2%<br />
S 0,05%<br />
P 0,02%<br />
Al 0,02%<br />
Cr 0,05%<br />
Ni 0,05%<br />
Cu 0,05%<br />
Nb 0,05%<br />
Hyväksytyn romun<br />
tyypillinen analyysi:<br />
C 0,2%<br />
Si 0,2%<br />
Mn 1,0%<br />
S 0,05%<br />
P 0,03%<br />
Cr 0,05%<br />
Ni 0,05%<br />
Cu 0,05%<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 8
Uusi teräsromu‐<br />
paali<br />
Uusi teräsromu‐<br />
paali, (varmistettu<br />
laatu)<br />
E6/V2 Paalattu ohut teräsromu, uusi <strong>se</strong>ostamaton teräsromu, levy‐<br />
paksuudeltaan alle 3 mm. Seostettu, pintakäsitelty tai maalattu<br />
romu ei kelpaa romuluokkaan. Dynamopeltiä sisältävistä<br />
toimituksista on sovittava valimokohtai<strong>se</strong>sti. Vannenauhaa,<br />
irtonaista levyleikettä ja romukieppejä sisältävästä romusta on<br />
sovittava valimo/kuormakohtai<strong>se</strong>sti. Ks. OTR:n ylei<strong>se</strong>t toimi‐<br />
tu<strong>se</strong>hdot.<br />
E6/V1 Paalattu ohut teräsromu, uusi <strong>se</strong>ostamaton teräsromu, levy‐<br />
paksuudeltaan 100 % alle 3 mm! Laadun varmistami<strong>se</strong>n<br />
perustana on analyysitiedon varmistaminen ja erinomainen<br />
paalaustyö. Tähän romuluokkaan voidaan hyväksyä ainoas‐<br />
taan erityi<strong>se</strong>n huolelli<strong>se</strong>sti paalatut, analyysivarmistetut<br />
toimitu<strong>se</strong>rät. Romuluokan toimittaminen vaatii valimon kanssa<br />
ennakolta laadun varmistamista ja erik<strong>se</strong>en sopimista. Ks.<br />
OTR:n ylei<strong>se</strong>t toimitu<strong>se</strong>hdot.<br />
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Max. paalikoko<br />
0,6x0,4x0,35m.<br />
Levyvahvuus<br />
max. 3mm.<br />
Ehdoton max.<br />
paalikoko<br />
0,6x0,4x0,35m.<br />
Ehdoton levy‐<br />
vahvuus‐<br />
vaatimus on<br />
alle 3mm<br />
Tehokas<br />
paalaus!<br />
Erinomainen<br />
paalaustyö!<br />
Hyväksytyn romun<br />
tyypillinen analyysi:<br />
C 0,1%<br />
Si 0,01%<br />
Mn 0,3%<br />
S 0,01%<br />
P 0,01%<br />
Cr 0,05%<br />
Ni 0,05%<br />
Cu 0,05%<br />
Hyväksytyn romun<br />
varmistettu analyysi:<br />
C 0,1%<br />
Si 0,01%<br />
Mn 0,3%<br />
S 0,01%<br />
P 0,01%<br />
Cr 0,05%<br />
Ni 0,05%<br />
Cu 0,05%<br />
* Arvot, jotka on saatu ohjeelli<strong>se</strong>ksi analyysiksi ovat kokemusperäisiä arvoja eri terästehtailta ja valimoilta. Ohjeellinen analyysi on saavutettu romupihan standar‐<br />
dityöskentelytavoilla ja standardityökaluilla.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 9
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Käyttötarkoituk<strong>se</strong>n a<strong>se</strong>ttamat vaatimuk<strong>se</strong>t. Teräsromu voi joutua käytettäväksi raaka‐aineena<br />
valuteräk<strong>se</strong>n ja suomu‐ tai pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa. Eri tarkoituk<strong>se</strong>t a<strong>se</strong>ttavat omia<br />
vaatimuksiaan romun laatuun nähden. Yleisvaatimus valuteräk<strong>se</strong>n induktiosulatuk<strong>se</strong>en käytettä‐<br />
välle teräsromulle on, että <strong>se</strong> ei saa olla ruosteista ja että <strong>se</strong>n tulee panostettaessa olla kuivaa. Ruoste<br />
sisältää myös kemialli<strong>se</strong>sti sidottua kosteutta ja on siten vetylähde sulatuk<strong>se</strong>ssa. Lisäksi ruosteesta<br />
muodostuva rautaoksidirikas kuona syövyttää hapanta vuorausta. Valokaariuuneilla ei ruosteisuus<br />
aiheuta vastaavaa haittaa. Kohtuullinen ruosteisuus voi jouduttaa mellotuk<strong>se</strong>n alkua. Romun tulee<br />
koostumuk<strong>se</strong>nsa puolesta sopia kysymyk<strong>se</strong>ssä olevan teräslaadun valmistuk<strong>se</strong>en. Tämä koskee<br />
varsinkin <strong>se</strong>ostettuja teräksiä. Tavalli<strong>se</strong>n valuraudan valmistuk<strong>se</strong>en käytettävän teräsromun puh‐<br />
tausvaatimuk<strong>se</strong>t ovat periaatteessa vastaavat kuin valurautaromunkin. Siinä ei saa olla<br />
<strong>se</strong>osmetalleja eikä epämetallisia varsinkaan rikkiä sisältäviä aineksia. Teräsromun yhteydessä<br />
joudutaan u<strong>se</strong>in tekemisiin erilaisten päällysteiden kanssa. On erityi<strong>se</strong>sti kiinnitettävä huomiota<br />
lyijyyn. Paitsi pelkkänä sitä esiintyy myös maaliaineissa kuten mönjässä, lyijyvalkoi<strong>se</strong>ssa, kromikel‐<br />
tai<strong>se</strong>ssa (lyijykromaatti) ja eräissä muissa väreissä. Pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa on<br />
käsittelyn onnistuminen ja lämpökäsittelyn häiriötön kulku huomattavan riippuvainen eräiden<br />
hivenaineiden poissa‐ tai läsnäolosta. Hintasuhteista johtuen on teräsromu yleisimmin käytetty<br />
raaka‐aine ja siinä mielessä tärkein. Jotta <strong>se</strong>os‐ ja hivenaineiden poissaolon valvonta käytännössä<br />
olisi mahdollista, tulee kysymyk<strong>se</strong>en yleensä vain laadultaan ja alkuperältään yhtenäinen romu.<br />
Seosaineet<br />
Halutut valurautojen ja valuterästen ohjeanalyysit toteutetaan u<strong>se</strong>in pääraaka‐aineiden ja niiden<br />
käyttösuhteen valinnalla, mutta tavallista on myös, että turvaudutaan runsaspitoisiin <strong>se</strong>ostusainei‐<br />
siin tietyn alkuaineen lisäämi<strong>se</strong>ksi koostumuk<strong>se</strong>en. Ferro<strong>se</strong>oksiksi nimitetään runsaspro<strong>se</strong>nttisia,<br />
raudan ohella tavalli<strong>se</strong>sti vain yhtä pääalkuainetta sisältäviä <strong>se</strong>oksia. Vastaavasti kuin harkko‐<br />
raudoissa on niissäkin pieniä määriä piitä, mangaania, fosforia ja rikkiä. Muutamissa tapauksissa<br />
pääalkuaineita on kaksi tai u<strong>se</strong>ampia. Tavallisimpia yhdistelmiä ovat pii ja mangaani <strong>se</strong>kä pii ja<br />
kromi. Monet ferro<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>t ovat isokiteisiä, hauraita, murtopinnaltaan vaaleita aineita. Toimitus<br />
tapahtuu tavallisimmin astioihin pakattuna määräkokoisina paloina tai murskeena käyttötarkoituk‐<br />
<strong>se</strong>sta riippuen. U<strong>se</strong>ita ferro<strong>se</strong>oksia on kaupan määräpainon <strong>se</strong>ostettavaa alkuainetta sisältävinä<br />
puristeina. Kun ne on tarkoitettu valuastiassa suoritettavia lisäyksiä varten, on niissä mukana<br />
lämpöäkehittävä ainesosa valumetallin lämpötilan alenemi<strong>se</strong>n lieventämi<strong>se</strong>ksi. Joskin puristeiden<br />
käyttöön liittyy eräitä käytännöllistä etuja kuten käyttövalmius ja yksinkertainen annostelu (punnit‐<br />
<strong>se</strong>mi<strong>se</strong>n a<strong>se</strong>mesta lasketaan kappaleluku), ne eivät runsaassa käytössä voi taloudelli<strong>se</strong>sti kilpailla<br />
irtotavaran kanssa.<br />
Raja <strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>en, ymppäyk<strong>se</strong>en, magnesiumkäsittelyyn <strong>se</strong>kä valuteräk<strong>se</strong>n loppupelkistyk<strong>se</strong>en<br />
käytettävien aineiden kesken ei ole jyrkästi vedettävissä. Seosaineiden avulla voidaan myös poistaa<br />
haitallisia epäpuhtauksia, kuten happea tiivistysaineilla ja rikkiä kalsiumyhdisteillä.<br />
Kuva 5. Seosaineita induktiouunin lähellä<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 10
Kuva 6. Seosaineita induktiouunin lähellä<br />
Kuva 7. Alumiinipaloja<br />
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Ferropii. Huomattava osa sulatuspanok<strong>se</strong>en tarvittavasta piistä saadaan tavalli<strong>se</strong>sti harkkoraudasta<br />
ja valurautaromusta. Puuttuva määrä tai synteettistä valurautaa teräsromusta valmistettaessa<br />
pääosa piistä lisätään runsaspitoisina <strong>se</strong>osteina. Ferropiitä käytetään valuraudan ymppäyk<strong>se</strong>en <strong>se</strong>kä<br />
tiivistysaineena teräs‐ ja valurautavaluissa. Lisäksi pii lisää valuraudan taipumusta jähmettyä<br />
harmaana. Piiharkkorauta ja 75 %:nen ferropii ovat mekaani<strong>se</strong>sti riittävän kestäviä kupoli‐<br />
uunipanostuk<strong>se</strong>en. 45 %:sta ferropiitä, joka on haurasta, käytetään tavallisimmin<br />
sähköuunisulatuk<strong>se</strong>ssa. 75 %:sta ferropiitä käytetään murskattuna ja määräkarkeuteen lajiteltuna<br />
ymppäysaineena. Ymppäystarkoituk<strong>se</strong>en käytettävän ferropiin suositeltava alumiinipitoisuus on<br />
1,5 % ja kalsiumpitoisuus 0,75 %. Ferropiin ymppäysteho perustuu alumiinin ja kalsiumin läsnä‐<br />
oloon. 90 %:sta ferropiitä käytetään valuteräk<strong>se</strong>n pelkistysaineena. Ferropii on sulaa rautaa<br />
kevyempänä ja happiaktiivi<strong>se</strong>na aineena vaikea <strong>se</strong>ostaa. Ferropii liukenee nopeasti sulan lämpötilaa<br />
laskematta. Pii voidaan <strong>se</strong>ostaa myös yhdessä mangaanin kanssa FeSiMn:na. FeSiMn käytettäessä<br />
desoksydaatiotuotteet ovat sulia mangaanisilikaatteja, jotka koaguloituvat ja nou<strong>se</strong>vat helpommin<br />
kuonaan kuin kiinteät SiO2‐sulkeumat, joita syntyy <strong>se</strong>ostettaessa erik<strong>se</strong>en FeMn ja FeSi:llä. Sulat<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 11
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
oksidisulkeumat voivat aiheuttaa mikrorakennehuokosia estäessään sulina kalvoina dendriittihaa‐<br />
rojen välissä syötön jähmettyvään metalliin.<br />
Ferromangaani. Kuten pii, niin myös mangaani saadaan osaksi harkkoraudasta ja romusta, mutta<br />
osa on lisättävä runsaspitoisina <strong>se</strong>osteina. Valinnassa on kiinnitettävä huomiota ferromangaanin<br />
hiilipitoisuuteen, sillä sitä on saatavissa runsas‐, keski‐ ja niukkahiili<strong>se</strong>nä. Runsashiili<strong>se</strong>t ovat yleis‐<br />
laatuja, joita tavallisimmin käytetään. Keski‐ ja niukkahiilisiä laatuja käytetään silloin, kun<br />
valmistettavan teräk<strong>se</strong>n hiilipitoisuuden enimmäisohjearvo estää runsashiili<strong>se</strong>n ferromangaanin<br />
käytön. Niukkahiilistä ferromangaania tai mangaanimetallia käytetään mm. austeniittisten syöpy‐<br />
miskestävien terästen valmistuk<strong>se</strong>ssa. Ferropiimangaani on ylei<strong>se</strong>sti käytetty sulan teräk<strong>se</strong>n<br />
pelkistysaine.<br />
Mangaani sitoo teräksissä ja valuraudoissa olevan rikin stabiiliksi sulfidiksi, vähentäen niiden<br />
kuumahauraustaipumusta. Mangaani lisää teräk<strong>se</strong>n karkenevuutta ja on valuraudoissa karbidoiva<br />
aine. Ferromangaania käytetään 70–80 % Mn sisältävänä <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>na. Ferromangaani on sulaa rautaa<br />
raskaampana helppo <strong>se</strong>ostaa, mutta <strong>se</strong>n liukeneminen on hidasta. 1 % FeMn laskee raudan lämpöti‐<br />
laa noin 20 ºC.<br />
Ferrokromi. Kromin lisääminen valurautaan tai teräk<strong>se</strong>en suoritetaan tavallisimmin 70–90 % Cr<br />
sisältävänä ferrokromina. Metallinen kromi voi tulla kysymyk<strong>se</strong>en poikkeustapauk<strong>se</strong>ssa erittäin<br />
runsaasti <strong>se</strong>ostetun rautaköyhän <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>n valmistuk<strong>se</strong>ssa. Kromia käytetään ruostumattomissa<br />
teräksissä ja <strong>se</strong> lisää terästen karkenevuutta ja kulumiskestävyyttä. Valuraudoissa kromi on karbi‐<br />
doiva aine. Vastaavasti kuin ferromangaania on myös ferrokromia saatavissa runsas‐, keski‐ ja<br />
niukkahiili<strong>se</strong>nä. Hiilipitoisuuden aletessa nou<strong>se</strong>e hinta jyrkästi. Runsashiili<strong>se</strong>t <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>t liukenevat<br />
nopeammin ja laskevat vähemmän sulan lämpötilaa. Valuraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa käytetään run‐<br />
sashiilisiä laatuja, sillä ne ovat halvimmat ja helpoimmin sulavat. Keskihiili<strong>se</strong>t laadut ovat teräk<strong>se</strong>n<br />
valmistuk<strong>se</strong>ssa sopivimmat. Niukkahiilisimpiä laatuja käytetään ruostumattomien ja syöpymiskes‐<br />
tävien terästen valmistuk<strong>se</strong>ssa. Kysymyk<strong>se</strong>en tulevan ferrokromin hiilipitoisuudet ovat silloin<br />
hiilen ohjearvosta ja muiden raaka‐aineiden hiilipitoisuudesta riippuen alueella 0,02–0,15 % C.<br />
Ferrokromi on lujaa vaikeasti murskattavaa, joten <strong>se</strong> tilattava lisäystavan edellyttämässä palakoos‐<br />
sa. Valuraudassa tavanomai<strong>se</strong>t alle 1 % kromipitoisuudet saavutetaan käytännöllisimmin 65 %<br />
ferropiikromin valu<strong>se</strong>nkkalisäyksin kuumaan rautavirtaan raudan kaadon aikana. Ferropiikromi<br />
liukenee helposti runsaan hiili‐ ja piipitoisuutensa ansiosta. Sen tulee olla alle 0,5mm hienouteen<br />
jauhettua. Piikromia käytetään, kun kromin kovuutta lisäävää vaikutusta valuraudassa pyritään<br />
kompensoimaan samanaikai<strong>se</strong>lla piin lisäyk<strong>se</strong>llä.<br />
Ferrokromia on saatavana myös n. 7 % typpeä sisältävänä <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>na. Sitä käytetään ylei<strong>se</strong>sti typellä<br />
<strong>se</strong>ostettujen ruostumattomien (austeniittisten ja duplex‐terästen) valuterästen valmistuk<strong>se</strong>ssa.<br />
Nikkeli. Nikkeli lisätään rautaan ja teräk<strong>se</strong>en metallina. Pelkistävää kuonaa käytettäessä, esimer‐<br />
kiksi valokaariuunissa, voi myös nikkelioksidi tulla kysymyk<strong>se</strong>en. Nikkeli on ruostumattomissa<br />
teräksissä tärkeä austeniitti<strong>se</strong>n rakenteen aikaansaava <strong>se</strong>osaine, joka parantaa ylei<strong>se</strong>sti eri teräslaa‐<br />
tujen sitkeysominaisuuksia. Valuraudoissa sillä on perlitoiva ja lujuutta parantava vaikutus.<br />
Pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa käytetään u<strong>se</strong>in nikkelipohjaisia magnesium<strong>se</strong>oksia. Ras‐<br />
kaana ja rautasulissa hapettumattomana aineena <strong>se</strong> on helppo <strong>se</strong>ostaa.<br />
Kupari. Kupari lisätään kuten nikkelikin yleensä puhtaana. Se on valuraudoissa vaikutuksiltaan<br />
nikkelin kaltainen. Koska <strong>se</strong> on nikkeliä halvempaa, on <strong>se</strong>n käyttö <strong>se</strong>osaineena yleistynyt nikkelin<br />
kustannuk<strong>se</strong>lla. Valuteräksissä ei yleensä käytetä kupari<strong>se</strong>ostusta.<br />
Kaikki kappalesuuruudeltaan tarkoituk<strong>se</strong>nmukainen puhdas kupari soveltuu valuraudan <strong>se</strong>ostami‐<br />
<strong>se</strong>en, tapahtuipa <strong>se</strong>ostaminen uuniin taikka sulaan metalliin. Romua käytettäessä on varmistuttava,<br />
että käytetään vain varmuudella puhtaaksi kupariksi pääteltävissä olevaa levyä, putkea, jne. Jou‐<br />
kossa ei saa olla messinki‐ tai pronssiosia, tinauksia, lyijyä tai muita <strong>se</strong>oksia.<br />
Koboltti. Koboltti on nikkelin kaltainen metalli, jota käytetään muutamissa jaloteräksissä. Seosta‐<br />
minen suoritetaan metalli<strong>se</strong>na kobolttina lisäten.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 12
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Alumiini. Alumiinia käytetään terästen tiivistyk<strong>se</strong>en. Valuraudoissa <strong>se</strong> on vahvasti grafitoiva aine.<br />
Muutamissa tulenkestävissä valuraudoissa ja teräksissä <strong>se</strong> on <strong>se</strong>osaineena. Monet ferro<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>t<br />
sisältävät pieniä määriä alumiinia. Alumiini toimitetaan puhtaina harkkoina tai granuleina, joita<br />
käytetään teräsuuneissa kuonien pelkistyk<strong>se</strong>en. Alumiini on teräk<strong>se</strong>n sulatuk<strong>se</strong>n tavanomainen<br />
loppupelkistysaine, jota lisätään teräk<strong>se</strong>en uunista valu<strong>se</strong>nkkaan kaadettaessa. Lisäyksiin käytetään<br />
vain vähintään 99 % puhdasta alumiinia. Tavalli<strong>se</strong>sti alumiinikappale heitetään kaadon aikana<br />
sulan teräk<strong>se</strong>n alastulokohtaan siten, että <strong>se</strong> imeytyy virran mukana pinnan alle. Suositeltavampaa<br />
on sitoa alumiinikappale ‐ pienoisharkot ovat sopivia ‐ rautalangalla terästankoon ja upottaa <strong>se</strong><br />
syvälle teräk<strong>se</strong>en. Tasai<strong>se</strong>n pelkistysylijäämän saaminen riippuu ratkai<strong>se</strong>vasti lisäyk<strong>se</strong>n suoritusta‐<br />
vasta.<br />
Alumiinia on alettu käyttää myös ferroalumiinina, joka on raskaampana helpompi <strong>se</strong>ostaa kuin<br />
puhdas alumiini.<br />
Magnesium. Magnesiumia käytetään yleensä 5 % FeSiMg‐ <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>na pallografiittivalurautojen<br />
valmistuk<strong>se</strong>en. FeSiMg toimitetaan pulverimai<strong>se</strong>na ja sitä on saatavissa monissa raekoissa.<br />
Kalsium. Kalsium ei ole varsinai<strong>se</strong>sti <strong>se</strong>osaine. Sitä käytetään CaSi‐muodossa pulverimai<strong>se</strong>na<br />
rikinpoistoon ja valuraudan ymppäyk<strong>se</strong>en. Teräsvaluissa sitä käytetään sulkeumien modifiointiin<br />
injektiomenetelmällä ja myös valuteräk<strong>se</strong>n pelkistysaineena. Sitä on saatavana myös palamai<strong>se</strong>na<br />
CaSiMn‐<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>na lisättäviksi kaatosuihkuun tai <strong>se</strong>nkan pohjalle.<br />
Kalsiumpii ʺCaSiʺ on ferropiin jälkeen yleisimmin käytetty ymppäysaine. Sen kalsiumpitoisuus on<br />
20–30 % Ca, piipitoisuus 50–70 % Si, hiilipitoisuus yleensä alle 1 % C ja alumiinipitoisuus noin 2 %<br />
Al; loppu on pääasiassa rautaa. Kalsiumpiin lisäystapaan on kiinnitettävä huomiota, sillä ominais‐<br />
tiheydeltään hyvin kevyenä <strong>se</strong> jää helposti raudan pinnalle. U<strong>se</strong>iden ymppäyk<strong>se</strong>en käytettyjen<br />
aineiden vaikutusteho perustuu niiden kalsiumpitoisuuteen. Näin on myös ferropiin laita.<br />
Molybdeeni. Raudan ja teräk<strong>se</strong>n <strong>se</strong>ostami<strong>se</strong>en molybdeenillä käytetään tavallisimmin ferromolyb‐<br />
deeniä, joka sisältää 58–64 % Mo ja noin 0,1 % C. On myös runsashiilistä ferromolybdeenia enintään<br />
1,5 % hiilipitoisuudella. Niukkahiilisiä <strong>se</strong>oksia valmistettaessa on varottava molybdeenin hapettu‐<br />
mista. Molybdeenitrioksidi MoO3 höyrystyy 1255 °C:n lämpötilassa aiheuttaen suuret häviöt.<br />
Korkeasta sulamislämpötilastaan huolimatta liukenee ferromolybdeeni helposti kuumaan rautaan.<br />
Rännilisäyksiin on kuitenkin käytettävä murskattua ferromolybdeenia 0,5‐3 mm lajitteena. Koska<br />
molybdeeni on helposti pelkistyvä metalli, on valokaariuuneissa mahdollista käyttää <strong>se</strong>ostami<strong>se</strong>en<br />
kalsiummolybdaattia, joka sisältää 40 % Mo ja 25 % CaO. Kupoliuunikäyttöä varten on saatavissa<br />
molybdeenipuristeita, joissa molybdeeni on molybdeenitrioksidina MoO3; <strong>se</strong> pelkistyy sulamis‐<br />
vyöhykkeessä koksin vaikutuk<strong>se</strong>sta.<br />
Volframi. Volframi lisätään teräk<strong>se</strong>en 55–80 % W sisältävänä ferrovolframina. Sen hiilipitoisuus on<br />
tavalli<strong>se</strong>sti alle 1 %. Volframia on sulatuk<strong>se</strong>ssa pyrittävä suojaamaan hapettumi<strong>se</strong>lta vastaavasti<br />
kuin molybdeeniakin, sillä myös <strong>se</strong>n oksidi on melko helposti höyrystyvä.<br />
Vanadiini. Ferrovanadiini sisältää vanadiinia 30–80 %. Se sisältää tavalli<strong>se</strong>sti jäännök<strong>se</strong>n valmistus‐<br />
vaiheessa pelkistyk<strong>se</strong>en käytettyä alkuainetta. Valurautaan suoritettavia rännilisäyksiä varten<br />
valmistetaan laatuja, jotka liukenemi<strong>se</strong>n helpottami<strong>se</strong>ksi sisältävät 7‐11 % Si ja 1‐3 % C. Koska<br />
vanadiini on it<strong>se</strong>kin helposti hapettuva aine ja voi toimia pelkistimenä, suoritetaan ferrovanadiinin<br />
lisäyk<strong>se</strong>t sulaan teräk<strong>se</strong>en häviöiden välttämi<strong>se</strong>ksi vasta muulla tavoin suoritetun pelkistyk<strong>se</strong>n<br />
jälkeen. Ferrovanadiinilisäyk<strong>se</strong>t kupoliuuniin panok<strong>se</strong>n yhteydessä eivät ole suositeltavaa, koska<br />
lisättävät määrät olisivat pieniä ja osumatarkkuus epävarma. Haluttaessa vanadiinipitoista rautaa<br />
suoraan kupoliuunista valitaan mieluummin vanadiinipitoinen harkkorautalaatu. Tavallisimmin<br />
ferrovanadiini lisätään ränniin alle 0,5mm lajiteltuna murskeena.<br />
Titaani. Keski‐ ja runsashiilisissä ferrotitaanilaaduissa on 3‐8 % C. Niukkahiili<strong>se</strong>t ferrotitaanit<br />
sisältävät enintään 0,1 % C, mutta niissä on aina huomattavan runsaasti piitä ja alumiinia, kum‐<br />
paankin noin 10 % pitoisuuteen saakka. Runsashiili<strong>se</strong>t laadut liukenevat rautaan helpoimmin ja<br />
ovat valimoissa yleisimmin käytetyt. Titaanipitoisuus on tavalli<strong>se</strong>sti 15–40 %. Titaani on erittäin<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 13
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
helposti hapettuva alkuaine, mistä syystä saanto edullisissakin lisäysolosuhteissa on vain 50–60 %.<br />
Valuraudassa titaania käytetään grafitoivana lisäaineena noin 0,1 % annok<strong>se</strong>na, teräk<strong>se</strong>n valmistuk‐<br />
<strong>se</strong>ssa pelkistysaineena tai sitomaan typpeä titaaninitridiksi. Ruostumattomissa teräksissä titaani<br />
eliminoi hiilen haitalli<strong>se</strong>n vaikutuk<strong>se</strong>n, ns. herkistymisilmiön, joka tarkoittaa korroosionkeston<br />
heikkenemistä 450–900 ºC:ssa, kun austeniitin raerajoille erkautuu kromikarbideja. Runsaiden<br />
häviöiden ja epätasai<strong>se</strong>n saannon takia ei ole edullista käyttää ferrotitaania lisäyksinä kupoliuuniin,<br />
vaan on mieluummin valittava titaania sisältävä harkkorautalaatu. Seostaminen voidaan kuitenkin<br />
myös suorittaa ferrotitaanilla rännilisäyksinä alle 0,5 mm lajiteltuna murskeena. Lisäystapaan on<br />
kiinnitettävä erityistä huomiota. Teräk<strong>se</strong>n sulatuk<strong>se</strong>ssa lisätään ferrotitaani uunissa muualla tavoin<br />
suoritetun edeltävän pelkistyk<strong>se</strong>n jälkeen samalla kun teräs kaadetaan valu<strong>se</strong>nkkaan. Helposti<br />
hapettuvana metallina kehittää runsas titaanimäärä teräk<strong>se</strong>n pinnalle ʺnahkaaʺ.<br />
Zirkonium. Kuten titaani on zirkoniumkin tehokas pelkistysaine, joka edistää grafiitin erottumista.<br />
Zirkoniumia on saatavissa <strong>se</strong>oksina, joissa pii on pääalkuaineena. Tunnetussa SMZ‐<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>ssa on<br />
lisäksi mangaania. U<strong>se</strong>at kaupalli<strong>se</strong>t ymppäysvalmisteet sisältävät zirkoniumia. Zirkoniumpiitä on<br />
saatavana noin 6 %, 14 % ja 40 % Zr sisältävinä <strong>se</strong>oksina, joiden piipitoisuus on noin 40–50 %. SMZ‐<br />
<strong>se</strong>os sisältää piitä 60–65 %, zirkoniumia 5‐7 % ja mangaania 5‐7 %.<br />
Fosfori. Valuraudassa tarvittava fosfori saadaan yleensä fosforiharkkoraudasta ja romusta. Joissa‐<br />
kin erillistapauksissa voi olla käytännöllistä lisätä fosfori 15–30 % P sisältävänä ferrofosforina.<br />
Valuteräk<strong>se</strong>ssä fosfori on aina haitallinen epäpuhtaus.<br />
Niobi ja tantaali. Kuten titaania, käytetään myös niobia ja tantaalia ruostumattomissa teräksissä<br />
estämään kromikardibien erkautumista. Niobi ja tantaali esiintyvät luonnossa yhdessä eikä niitä<br />
aina eroteta toisistaan. Ferroniobin niobipitoisuus on noin 50–60 %. Ferroniobitantaalissa on vastaa‐<br />
vasti noin 39–42 % niobia ja noin 20 % tantaalia. Ruostumattomiin teräksiin käytettävien laatujen<br />
hiilipitoisuuden tulisi olla alle 0,1 %. Lisäyk<strong>se</strong>t suoritetaan edeltäneen pelkistyk<strong>se</strong>n jälkeen terästä<br />
uunista valu<strong>se</strong>nkkaan kaadettaessa<br />
Boori. Booria voidaan käyttää valuraudassa karbideja stabiloivana pelkistysaineena. Tempervalussa<br />
voidaan pientä booripitoisuutta käyttäen lyhentää lämpökäsittelyn aikaa. Myös eräissä erittäin<br />
lujissa rakenneteräksissä esiintyy booria. Ferroboorin booripitoisuus voi olla 10–35 % ja hiilipitoi‐<br />
suus 0,01‐3 %. Raudan lisäksi siinä voi olla 3‐10 % Al ja 1‐2 % Si. Ferroboori liukenee helposti sulaan<br />
rautaan. Lisäys tapahtuu pieninä rakeina.<br />
Tina. Pieniä määriä tinaa on alettu joissakin tapauksissa käyttää perliittiä stabiloivana lisäaineena<br />
valuraudoissa ja pallografiittivaluraudassa. Tina liukenee helposti ja ilman häviöitä sulaan valurau‐<br />
taan eikä poistu siitä uudelleen sulatuk<strong>se</strong>ssa. Tämä on huomattava kiertoromun käytössä.<br />
Ainoastaan puhdas tina kelpaa. Se on kirkasta, ei tummu ilmassa ja tangot riti<strong>se</strong>vät taivutettaessa.<br />
Juotostina sisältää noin 50 % lyijyä ja on siten tähän tarkoituk<strong>se</strong>en täysin kelpaamaton.<br />
Barium ja strontium. Barium ja strontium ovat maa‐alkalimetalleja kuten kalsiumkin, mutta eivät<br />
yhtä yleisiä luonnossa. Niitä sisältyy muutamia pro<strong>se</strong>ntteja eräisiin uusiin kaupallisiin ymppäysai‐<br />
neisiin. Kun ferropiissä on läsnä bariumia tai strontiumia lisääntyy ymppäysteho, niin että tullaan<br />
toimeen pienemmillä lisäyksillä. Ymppäysvaikutuk<strong>se</strong>n vaimeneminen on myös hitaampi kuin<br />
tavallisilla ymppäysferropiilaaduilla.<br />
Zirkonium. Zirkoniumia on saatavissa <strong>se</strong>oksina, joissa pii on pääalkuaineena. Tunnetussa SMZ‐<br />
<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>ssa on lisäksi mangaania. Zirkoniumpiitä on saatavana noin 6 %, 14 % ja 40 % Zr sisältävinä<br />
<strong>se</strong>oksina, joiden piipitoisuus on noin 40‐ %. SMZ‐<strong>se</strong>os sisältää piitä 60–65 %, zirkoniumia 5‐7 % ja<br />
mangaania 5‐7 %.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 14
Valurautojen metallurgi<strong>se</strong>t lisäaineet<br />
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Hiiletysaineet<br />
Teräsromun käyttö valuraudan raaka‐aineena on yleistynyt. Sulatuk<strong>se</strong>n yhteydessä on siihen liuo‐<br />
tettava hiiltä, niin että saavutetaan valuraudalle ominainen haluttu hiilipitoisuuden taso.<br />
Sulatuk<strong>se</strong>n tapahtuessa kupoliuunissa liukenee tarvittava hiili polttoaineena käytettävästä koksista<br />
(kupoliuuniin lisätään harvoin grafiittia hiiletyk<strong>se</strong>n edistämi<strong>se</strong>ksi). Sähköuunisulatuk<strong>se</strong>ssa lisätään<br />
panok<strong>se</strong>en tai sulaan rautaan tai teräk<strong>se</strong>en hiiletystä varten grafiittia, koksia tai muuta hiilirikasta<br />
tuotetta. Ne eivät saa sisältää huomattavia määriä rikkiä tai muita vahingollisia alkuaineita ja hiilen<br />
liukenevuuden tulee olla riittävän hyvä. Hyvä liukenevuus edellyttää tiivistä rakennetta (grafiitti) ja<br />
pientä tuhkapitoisuutta. Osumatarkkuus sähköuunisulatuk<strong>se</strong>ssa vaatii tasaista hiiletystulosta.<br />
Hiiletysaineen sopiva raekoko riippuu mm. sulatusuunista ja lisäysmenetelmästä. Sulatusuunin<br />
ulkopuolella voidaan eräin menetelmin suorittaa hiiletystä rännissä, etusäiliössä, kieputussangossa<br />
tai valuastiassa.<br />
Grafiitti. Kaikista hiilen esiintymismuodoista on grafiitti sulaan rautaan helppoliukoisin. Liu‐<br />
kenevuus on sitä parempi mitä pienempi on grafiitin tuhkapitoisuus. Tuhkan määrän ohella on<br />
kiinnitettävä huomiota myös hiiletysgrafiitin rikkipitoisuuteen. Alkuperältään grafiitti voi olla joko<br />
luonnongrafiittia tai synteettistä sähköuunigrafiittia. Hiiletysgrafiittina ylei<strong>se</strong>sti käytettyä on grafiit‐<br />
tielektrodijätteistä valmistettu murske. Parhaiden laatujen hiilipitoisuus on yli 99 %, hyvillä<br />
laaduilla <strong>se</strong> on 95–99 %, keskinkertaisilla 90–95 % ja heikoilla 80–90 %.<br />
Grafiittia voidaan käyttää karkeahkona 1‐10mm tai 3‐20mm murskeena sähköuunisulatuk<strong>se</strong>ssa<br />
kylmän panok<strong>se</strong>n mukana. Hienona murskeena, esim. 0,5‐3mm lajitteena, lisätään grafiittia induk‐<br />
tiouunisulatuk<strong>se</strong>ssa tai kupoliuuniraudan induktiouunikäsittelyssä (duplex) sulaan rautaan. Tästä<br />
murskeesta on pölyaines <strong>se</strong>ulottu pois, koska <strong>se</strong> uuniin lisättäessä pyrkisi kulkeutumaan kuuman<br />
nou<strong>se</strong>van ilmavirran mukana pois; karkean ainek<strong>se</strong>n liukeneminen taas käy liian hitaasti. Varsinkin<br />
verkkotaajuusuunissa voidaan hiiletys näin suorittaa nopeasti käyttämällä hyväksi tälle uunityypil‐<br />
le ominaista voimakasta <strong>se</strong>koitusliikettä. Injektiomenetelmässä, jota käytetään muidenkin<br />
metallurgisten toimenpiteiden kuin hiiletyk<strong>se</strong>n suorituk<strong>se</strong>en, jauhemainen grafiitti puhalletaan<br />
kaasuvirran avulla grafiittiputken kautta sulan raudan pinnan alapuolelle. Tarkoituk<strong>se</strong>en tavalli‐<br />
simmin käytetty tehoton kaasu on typpi.<br />
Petrolikoksi. Petrolikoksi nimellä myydään hiiletysaineita, jotka ovat syntyneet vuoriöljyn tai<br />
asfalttikivennäisten jalostuk<strong>se</strong>n yhteydessä kuivatislausjäännöksinä. Niiden hiilipitoisuus on suuri,<br />
yleensä 99 %, mutta rakenne on huokoinen, josta syystä ne liukenevat hitaammin kuin grafiitti.<br />
Niiden rikkipitoisuus on kohtuulli<strong>se</strong>n alhainen, mutta ne sisäl‐<br />
tävät typpeä (joissain tapauksissa typpeä halutaan lisätä, jolloin<br />
petrolikoksia voidaan käyttää). Jos rauta on sulatettu teräsro‐<br />
musta ja <strong>se</strong>n titaanipitoisuus <strong>tästä</strong> johtuen on niin alhainen, ettei<br />
titaani riitä sitomaan typpeä titaaninitridiksi, erottuu raudan<br />
jähmettyessä typpikaasua aiheuttaen raudan kuohumi<strong>se</strong>n<br />
muotissa ja huokoi<strong>se</strong>n valun. Typen sitomi<strong>se</strong>ksi tulisi raudan<br />
tässä tapauk<strong>se</strong>ssa sisältää vähintään 0,05 % titaania.<br />
Kuva 8. Koksia.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 15
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Halpa hinta puoltaa koksin käyttöä hiiletysaineena, mutta sillä on grafiittiin ja petrolikoksiin verrat‐<br />
tuna <strong>se</strong>uraavia haittoja:<br />
− hiilen liukeneminen on hitaampi<br />
− tuhka muodostaa runsaasti kuonaa<br />
− rikkipitoisuus on korkea.<br />
Tuhkapitoisuus on tavanomaista korkeampi ja epätasai<strong>se</strong>mpi, jos koksimurske on valmistettu<br />
varastoinnissa ja kuljetuk<strong>se</strong>ssa muodostuvasta jätteestä. Näistä haitoista johtuen ei koksi ole saavut‐<br />
tanut induktiouunisulatuk<strong>se</strong>ssa yleistä käyttöä hiiletysaineena. Valokaariuuneilla ja raudan<br />
metallurgi<strong>se</strong>ssa käsittelyssä kieputusmenetelmällä hiiletetään koksia käyttäen. Kupoliuuneissa<br />
käytettävältä valimokoksilta vaaditaan tasaista raekokoa. Koksin raekoon on oltava noin 1/10 kupo‐<br />
liuunin sulamisvyöhykkeen halkaisijasta. Käytännössä raekoko vaihtelee 100–200 mm:n välillä.<br />
Haihtuvien aineiden pitoisuuden on oltava mahdollisimman pieni. Koksin reaktiivisuudella tarkoi‐<br />
tetaan palamisvyöhykkeen yläpuolella tapahtuvaa lämpöä kuluttavan pelkistysreaktion nopeutta.<br />
Kylmäilmakupoliuuneissa reaktiivisuuden on oltava alhainen. Koksin hiiletyskyky riippuu koksin<br />
tiheydestä ja tuhkapitoisuudesta, joiden tulisi olla mahdollisimman pieniä. Hyvän valimokoksin<br />
tuhkapitoisuus on 7‐9 % ja rikkipitoisuus yleensä 0,7–1,1 %. Koksin on oltava riittävän lujaa, jotta <strong>se</strong><br />
kestäisi kupoliuunin panok<strong>se</strong>n mekaani<strong>se</strong>t rasituk<strong>se</strong>t. Niin sanotun HC‐koksin hiilipitoisuus on 94–<br />
96 %, kun tavalli<strong>se</strong>n koksin hiilipitoisuus on 86–92 % ja tuhkapitoisuus 3‐4 %. HC‐koksi ei sovellu<br />
kuumailmakupoliuuneihin, koska pienestä reaktiivisyydestä johtuen syntyvän CO‐kaasun määrä<br />
on pieni.<br />
Ymppäysaineet<br />
Ymppäysaineiden avulla pyritään lisäämään raudassa olevien<br />
kiteytymisytimien määrää, jotta raudan kiteytyminen tapahtui‐<br />
si heterogeeni<strong>se</strong>sti. Ymppäysaineita toimitetaan rakeisina,<br />
murskeena, pienoisharkkoina, pulverina tai lankamai<strong>se</strong>na <strong>se</strong>n<br />
mukaan käytetäänkö niitä perus‐ tai elvytysymppäyk<strong>se</strong>en.<br />
Tavallisin ymppäysaine on FeSi 75, joka varsinaisina vaikutta‐<br />
vina aineina sisältää alumiinia ja kalsiumia. Markkinoilla<br />
olevien ymppäysaineiden lukumäärä on suuri. Alumiinin ja<br />
kalsiumin lisäksi niissä voi vaikuttavina aineina olla bariumia,<br />
strontiumia, titaania, zirkoniumia, mangaania ym. Eräät GJS‐<br />
raudoille tarkoitetut ymppäysaineet voivat sisältää myös<br />
harvinaisia maametalleja (ceriumia, lantaaniumia ym.).<br />
Kuva 9. Ymppäysainetta.<br />
Grafiitin palloutusaineet<br />
Pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa käytettävien magnesium<strong>se</strong>osten lukumäärä on lisääntynyt<br />
samassa suhteessa kuin varsinai<strong>se</strong>t valmistusmenetelmätkin. Koostumuk<strong>se</strong>ltaan <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>t ovat joko<br />
Mg‐, Ni‐, Cu‐ tai Si‐valtaisia. Vaikuttavina aineina <strong>se</strong>oksissa ovat magnesium, cerium ja kalsium.<br />
FeSi‐valtaisissa palloutusaineissa on valmistuk<strong>se</strong>ssa käytetystä ferropiistä peräisin olevaa alumiinia,<br />
joka osallistuu lisäksi ymppäystapahtumaan korvaten osaksi erillistä ymppäysainelisäystä. Pallou‐<br />
tusaineet toimitetaan tavalli<strong>se</strong>sti 1‐5mm:n rakeina tai 30–50 mm:n palasina. Upotinmenetelmää<br />
varten on saatavissa valettuja pienoismuotoharkkoja, jotka voidaan sijoittaa upottimeen tai muotin<br />
valukanavistoon kaavattuun vastaavan muotoi<strong>se</strong>en tilaan.<br />
Cerium. Cerium on harvinainen maametalli, jota käyttäen pallografiittivaluraudan tekninen valmis‐<br />
tus ensimmäi<strong>se</strong>ksi ratkaistiin. Nykyään valmistus tapahtuu magnesiumia käyttäen, mutta<br />
ceriumilla on vielä tietty osa menetelmässä, sillä magnesiumin ohella suoritettu pieni cerium lisäys<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 16
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
varmentaa <strong>se</strong>n, etteivät vähäi<strong>se</strong>t raaka‐aineiden epäpuhtautena rautaan joutuneet hivenaineet<br />
vaaranna käsittelyn onnistumista. Kaupalli<strong>se</strong>lla nimellä tunnettu Mischmetal sisältää noin 45–55 %,<br />
ceriumia, 22–30 % lantaania, 15–18 % neodyymia, 5 % pra<strong>se</strong>odyymia ja pari % muita harvinaisia<br />
maametalleja.<br />
Magnesium. Magnesiumia käytetään yleensä 5 % FeSiMg‐ <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>na pallografiittivalurautojen<br />
valmistuk<strong>se</strong>en. FeSiMg toimitetaan pulverimai<strong>se</strong>na ja sitä on saatavissa monissa raekoissa. Magne‐<br />
sium on helposti höyrystyvä ja erittäin reaktiokykyinen aine. Magnesiumin lisääminen sulaan<br />
rautaan, teräk<strong>se</strong>en tai metalliin edellyttää näiden <strong>se</strong>ikkojen huomioon ottamista ja harkintaan perus‐<br />
tuvaa varovaisuutta. Magnesiumin kiehumispiste on ilmakehän paineessa 1120 °C; upotettuna tätä<br />
huomattavasti kuumempaan rautaan tai teräk<strong>se</strong>en aiheuttaa <strong>se</strong> kiivaan kuohahduk<strong>se</strong>n. Palavia<br />
magnesiumhöyryjä on varottava. Tummia la<strong>se</strong>ja käyttäen on suojattava silmiä häikäisyltä. Magne‐<br />
siumin ja metallioksidien välinen reaktio on räjähdysmäinen.<br />
Magnesiumia käytetään myös jossakin tapauksissa teräk<strong>se</strong>n pelkistysaineena. Käyttö teräk<strong>se</strong>n<br />
pelkistyk<strong>se</strong>ssä edellyttää esipelkistystä muita keinoja käyttäen <strong>se</strong>kä laimean magnesiumesi<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>n<br />
käyttöä.<br />
Metallurgi<strong>se</strong>t apuaineet<br />
Kalkki. Kalkkikiveä kuumentamalla saadaan poltettua kalkkia, jota käytetään kuonan muodostaja‐<br />
na raudan kupoliuunisulatuk<strong>se</strong>ssa, teräsuuneissa ja <strong>se</strong>nkkametallurgiassa. Valimokäyttöön<br />
soveltuu parhaiten puhdas kiteinen kalkkikivi, jossa kalsiumkarbonaatti (CaCO3) esiintyy kalk‐<br />
kisälpänä eli kalsiittina. Sellaista kalkkikiveä, joka kalsiumkarbonaatin ohella sisältää<br />
magnesiumkarbotiaattia (MgCO3), nimitetään dolomiitti<strong>se</strong>ksi kalkkikiveksi. Dolomiittisiakin kalk‐<br />
kikiviä voidaan sulatuk<strong>se</strong>ssa käyttää, mutta muodostuva kuona ei ole yhtä helppojuoksuista kuin<br />
kalsiittia käyttäen saatu. Kalkkikiven merkitys kuonanmuodostajana perustuu siihen, että kalkkiki‐<br />
vi sitoo uunin vuorauk<strong>se</strong>sta tai panok<strong>se</strong>sta peräisin olevaa vaikeasti sulavaa, hapanta piidioksidia<br />
helposti sulavaksi kalsiumsilikaatiksi, jolloin kuona tulee helppo liukoi<strong>se</strong>ksi. Kun kalsiumkarbo‐<br />
naattia tai magnesiumkarbonaattia kuumennetaan yli 800 °C kuumuuteen, poistuu hiilidioksidia<br />
(CO2) ja jäljelle jäävät emäksi<strong>se</strong>t kalsium‐ ja magnesiumoksidi (CaO ja MgO). Ne yhtyvät piihap‐<br />
poon (SiO2) muodostaen kalsium‐ ja magnesiumsilikaatteja (esim. CaSiO3). Kalkkikiven arvo<br />
kuonanmuodostajana riippuu ratkai<strong>se</strong>vasti <strong>se</strong>n puhtaudesta, nimenomaan <strong>se</strong>n kalsiumkarbonaatti‐<br />
pitoisuudesta. Hyvän kalkin CaO‐pitoisuuden tulisi olla korkea ja SiO2 pitoisuuden mahdollisim‐<br />
man alhainen. Hyvälaatui<strong>se</strong>n kalkkikiven SiO2 ‐pitoisuus on alle 2,0 % ja CaO ‐pitoisuus vähintään<br />
95 %. Suomalaisissa kalkkilaaduissa CaO on noin 92 %. Kalkkikiven palasuuruuden tulee olla<br />
riittävä pysyttämään <strong>se</strong>n panoskoksin <strong>se</strong>urassa uunin kuilussa, mutta ei tarpeettoman suuri, koska<br />
kalkkikiven tulisi jakautua tasai<strong>se</strong>sti sulamisvyöhykkee<strong>se</strong>en. Sopivin olisi noin 30–60 mm palakoko.<br />
Kalkki on erittäin hygroskooppista eli kosteutta sitovaa, joten <strong>se</strong> on varastoitava kuivissa tiloissa.<br />
Kuva 10. Kalkkikiveä.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 17
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Piikarbidi. Sähköuunisulatuk<strong>se</strong>en tarkoitetut piikarbidigranulit sisältävät keskimäärin 80–93 % SiC,<br />
2‐5 % Si + SiO2, 2‐6 % (vapaata) C, max. 3 % Fe2O3, max. 3 % Al2O3 ja 0,5–1,5 % CaO+MgO. Kupoli‐<br />
uuneihin tarkoitetut briketit sisältävät keskimäärin 65–88 % SiC, 2‐7 % Si + SiO2, 1‐6 % (vapaata) C,<br />
max. 3 % Fe2O3, max. 3 % Al2O3 ja 0,5–12 % CaO+MgO.<br />
Piikarbidia SiC käytetään mm. tehostamaan ymppäysvaikutusta. Se ei yksistään riitä ymppäysai‐<br />
neeksi, mutta <strong>se</strong> lisää grafiittiytimien määrää. Sitä voidaan käyttää myös piin ja hiilen <strong>se</strong>ostami<strong>se</strong>ksi<br />
rautaan. Piitä lisäämällä voidaan happamien vuorausten kulumista pelkistymällä pienentää. Tämä<br />
voidaan toteuttaa lisäämällä piikarbidia panostuk<strong>se</strong>n alussa uunin pohjalle. Piikarbidilla on todettu<br />
olevan myös edullisia vaikutuksia pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa. Parantamalla mm.<br />
magnesiumin liukenemista, vähentämällä valuvikoja ja vähentämällä karbidien muodostumista.<br />
Kupoliuuneissa piikarbidilla on edullinen vaikutus raudan hiilettämi<strong>se</strong>ssä ja erityi<strong>se</strong>sti rikinpoistos‐<br />
sa.<br />
Fluorisälpä. Fluorisälpä parantaa kuonan juok<strong>se</strong>vuutta ja edistää rikin siirtymistä kuonaan. Fluo‐<br />
risälvän tulisi sisältää kalsiumfluoridia (CaF2) noin 85–98 %. Tavalli<strong>se</strong>sti <strong>se</strong> sisältää myös jossain<br />
määrin epäpuhtauksia, joita saisi olla kuitenkin enintään 0,2 % piioksidia (SiO2) ja enintään 0,2 %<br />
rikkiä. Fluorisälpä syövyttää uunin vuorausta erittäin voimakkaasti, mistä syystä <strong>se</strong>n käyttöön<br />
turvaudutaan happamessa sulatuk<strong>se</strong>ssa yleensä vain häiriötapauksissa. Vesijäähdytetyissä, vuora‐<br />
uk<strong>se</strong>ttomissa uuneissa emäksi<strong>se</strong>sti sulatettaessa käytetään runsasta kalkkikivilisäystä, jopa 50 %<br />
koksin painosta. Silloin on tavanomaista käyttää kalkkikiven ohella fluorisälpää kuonan saami<strong>se</strong>ksi<br />
juok<strong>se</strong>vammaksi. Osa fluorisälvän fluoria poistuu uunikaasujen mukana piifluoridina SiF4. Fluo‐<br />
risälpää käytetään 1/4 tai enintään 1/3 kalkkikiven määrästä. Fluorisälvän palakoon tulee olla<br />
vastaava kuin kalkkikivellä.<br />
Kuva 11. Fluorisälpää.<br />
Sooda. Sooda eli natriumkarbonaatti (Na2CO3) on vahvasti emäksinen aine, jota käytetään rikin‐<br />
poistoon kalkkikiven ohella panostettuna kupoliuunisulatuk<strong>se</strong>ssa tai samaan tarkoituk<strong>se</strong>en uunin<br />
ulkopuolella kourussa, etusäiliössä tai valu<strong>se</strong>nkassa. Näihin käyttötarkoituksiin soveltuu ainoas‐<br />
taan kidevedetön, rakeinen tai harkoiksi sulatettu sooda. Natriumkarbonaatti sulaa 851 °C<br />
lämpötilassa muodostaen hyvin juok<strong>se</strong>van kuonan, joka ʺkiehuuʺ hiilidioksidia kehittäen. Tekni<strong>se</strong>n<br />
soodan natriumkarbonaattipitoisuus on tavalli<strong>se</strong>sti noin 95–98 %.<br />
Kalsiumkarbidi. Kalsiumkarbidin käyttö teräsvalimoissa on vähentynyt. Se on korvattu muilla<br />
kalsiumyhdisteillä, kuten kalkilla, kalsiumpiillä tai soodalla. Kalsiumkarbidia CaC2 käytetään<br />
pulverimai<strong>se</strong>na rikinpoistoon. Kalsiumkarbidi (CaC2) eli lyhyesti karbidi valmistetaan sähköuunis‐<br />
sa 2250 °C kuumuudessa koksin ja poltetun kalkin <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>sta. Tavallinen tekninen karbidi sisältää<br />
78–80 % CaC2, 16 % CaO <strong>se</strong>kä muutamia pro<strong>se</strong>ntteja alumiini‐, magnesium‐ ja piioksideja. Sen<br />
sulamispiste on noin. 1800–1900 °C. Kupoliuuni käyttöä varten on markkinoilla myös helpommin<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 18
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
sulavaa eutektista karbidia; <strong>se</strong> sisältää CaC2 noin 72 %, CaO vastaavasti enemmän ja <strong>se</strong>n sulamis‐<br />
lämpötila on noin 1630 °C. Kupoliuunikarbidia käytetään 15–25 tai 25–50 mm suuruisina paloina.<br />
Sähköuuneissa tai vastaavissa käytetään rikinpoistoon tavallista kauppalaatua olevaa karbidia 1‐<br />
3mm murskeena. Koska muodostuva kuona on kuivaa eikä tartu uunin <strong>se</strong>inämiin, on rikinpoisto<br />
tiettyä varovaisuutta noudattaen suoritettavissa myös happamella vuorauk<strong>se</strong>lla varustetuissa<br />
uuneissa.<br />
Kalsiumkarbidi on varastoitava kuivissa tiloissa, koska <strong>se</strong> muodostaa veden kanssa räjähdysaltista<br />
a<strong>se</strong>tyleenikaasua.<br />
Ca2 + 2H2O = CaH2 + Ca(OH)2<br />
A<strong>se</strong>tyleeni muodostaa ilman kanssa räjähtävän <strong>se</strong>ok<strong>se</strong>n vaarantaen työturvallisuutta. Karbidi on<br />
säilytettävä kuivissa, vesitiiviissä tynnyreissä. Tynnyrien avaaminen on suoritettava kipinöimättö‐<br />
miä työvälineitä käyttäen ja iskuja välttäen. Tynnyreitä ei saa varastoida kellareihin tai muihin<br />
heikosti tuuletettuihin tiloihin, eikä tiloihin, joissa on vesi‐ tai höyryputkistoja. Käyttöpisteessä on<br />
pidettävä avattuna vain yksi astia kerrallaan. Käytön välillä <strong>se</strong> on pidettävä asianmukai<strong>se</strong>lla vesitii‐<br />
viillä kannella peitettynä. Käytettäessä karbidia kupoliuunissa on jokai<strong>se</strong>en panok<strong>se</strong>en tuleva annos<br />
tarvittaessa, ts. koksi‐ tai rautapanok<strong>se</strong>n ollessa märkää tai lumista, suojattava tavalla tai toi<strong>se</strong>lla<br />
niin, että <strong>se</strong> tulee sulamisvyöhykkee<strong>se</strong>en saakka kuivana.<br />
Seosaineiden vaikutus valurautojen ominaisuuksiin<br />
Seosaineet muuttavat valuraudoilla <strong>se</strong>kä eutektista koostumusta että eutektisia lämpötiloja. Eutek‐<br />
tisten lämpötilojen (stab./metastab. lisätietoa alla kohdassa valuraudan jähmettyminen) välinen ero<br />
on muutettavissa ratkai<strong>se</strong>vasti. Tämä vaikuttaa suoraan valkoi<strong>se</strong>na jähmettymi<strong>se</strong>n vaaraan. Ns.<br />
grafitoivien aineiden tärkein vaikutus tähän on stabiilin systeemin eutekti<strong>se</strong>n lämpötilan nosto ja<br />
metastabiilin systeemin vastaavan laskeminen. Näin karbidien muodostuminen tai suorastaan<br />
valkoi<strong>se</strong>na jähmettyminen vaatii suurempaa alijäähtymistä. Ns. karbidoivat aineet vastaavasti<br />
kaventavat tai jopa hävittävät kokonaan eutektisten lämpötilojen välin. Näin ne siis helpottavat<br />
karbidien muodostumista. Tietyt tavalli<strong>se</strong>t <strong>se</strong>osaineet muuttavat em. lämpötiloja samansuuntai<strong>se</strong>sti<br />
tai tuskin ollenkaan. Niiden vaikutus jähmettymisrakentee<strong>se</strong>en on vastaavasti vähäi<strong>se</strong>mpi.<br />
Jos verrataan grafitoivien ja karbidoivien aineiden vaikutuksia toisaalta eutektisiin lämpötiloihin ja<br />
toisaalta eutektisiin koostumuksiin, todetaan, että ylei<strong>se</strong>sti ottaen muutos eutekti<strong>se</strong>ssa koostumuk‐<br />
<strong>se</strong>ssa kytkeytyy loogi<strong>se</strong>sti muutok<strong>se</strong>en lämpötilassa. Yksittäinen <strong>se</strong>osaine saattaa kuitenkin esim.<br />
nostaa eutektista hiilipitoisuutta (stabiloida karbideja) ja samalla joko nostaa tai laskea metastabiilia<br />
eutektista lämpötilaa. Samalla kun muistetaan, että jähmettymisrakenne on tärkein lujuuteen ja<br />
käyttöominaisuuksiin vaikuttava tekijä, on pidettävä mielessä, että kullakin <strong>se</strong>osaineella on omat<br />
vaikutuk<strong>se</strong>nsa austeniitin hajautumistuloksiin (eli eutektoidi<strong>se</strong>en reaktioon), eikä näitä tule <strong>se</strong>koit‐<br />
taa keskenään.<br />
Seosaineiden vaikutusta jähmettymisrakentee<strong>se</strong>en korostaa myös aina jossain määrin tapahtuva<br />
suotautuminen. Esim. karbidoivat aineet ja austeniittiin huonosti liukenevat aineet tapaavat suotau‐<br />
tua jähmettymisrintaman edeltä jäljellä olevaan sulaan. Grafitoivat aineet taas suotautuvat<br />
tyypilli<strong>se</strong>sti jähmettynee<strong>se</strong>en austeniittiin. Näin sulan <strong>se</strong>osainepitoisuudet poikkeavat merkittävästi<br />
jähmettymi<strong>se</strong>n loppuvaiheessa siitä, mitä ne olivat alussa.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 19
Graftoivat<br />
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Seosaineiden suotautuminen siis kaventaa eutek‐<br />
tisten lämpötilojen väliä tavalli<strong>se</strong>sti ja edistää<br />
raerajakarbidien muodostumista. Seosainepitoi‐<br />
suudet yleensä ja etenkin karbidoivat aineet<br />
aiheuttavat suotautumisongelmia. Grafitoivien<br />
aineidenkaan lisäämistä ei pidetä parhaana<br />
ratkaisuna tähän. Sen sijaan on vältettävä yleen‐<br />
säkin kaikkia suotautuvia aineita ja nopeutettava<br />
eutektista jähmettymistä <strong>se</strong>kä lisättävä eutektis‐<br />
ten solujen lukumäärää (vrt. ymppäys). Tällä<br />
pyritään suotautumi<strong>se</strong>en liittyvien välimatkojen<br />
pienentämi<strong>se</strong>en (diffuusion helpottaminen).<br />
Kuva 12. Seosmetallien vaikutus suomugra‐<br />
fiittivaluraudan lujuuteen ja kovuuteen.<br />
Ferriittis‐perliitti<strong>se</strong>ssä teräk<strong>se</strong>ssä perliitin osuuden määrää ensisijai<strong>se</strong>sti hiilipitoisuus. Niukkahiili‐<br />
<strong>se</strong>n ferriitin ja enemmän hiiltä sisältävän perliitin keskinäinen suhde riippuu mm.<br />
kokonaishiilipitoisuudesta. Runsashiili<strong>se</strong>mmät ferriittis‐perliitti<strong>se</strong>t teräk<strong>se</strong>t sisältävät siten enem‐<br />
män perliittiä. Valuraudoissa <strong>se</strong>n sijaan hiiltä on <strong>se</strong>kä metalli<strong>se</strong>ssa matriisissa että grafiittina. Niinpä<br />
matriisissa olevan hiilen määrä voi vaihdella suurestikin. Matriisin ferriitti‐perliitti ‐suhtee<strong>se</strong>en<br />
valuraudoissa vaikuttavat ferritoivat ja perlitoivat aineet. Seosaineiden vaikutuksia valurautoihin<br />
on esitetty allaolevassa taulukossa.<br />
Taulukko 2. Seiosaineiden vaikutuksia valurautoihin.<br />
Pii (Si)<br />
Fosfori (P)<br />
Alumiini<br />
(Al)<br />
Titaani<br />
(Ti)<br />
Nikkeli<br />
(Ni)<br />
Kupari<br />
(Cu)<br />
Grafitointikerroin<br />
+1,00<br />
+1,00<br />
+0,50<br />
+0,40<br />
+0,35<br />
+0,20<br />
Karbidoivat<br />
Mangaani (Mn)<br />
Molybdeeni<br />
(Mo)<br />
Kromi (Cr)<br />
Vanadiini (V)<br />
Boori (B)<br />
Karbidointiker‐<br />
roin<br />
‐0,25<br />
‐0,30<br />
‐1,00<br />
‐2,50<br />
Perlitoivat<br />
Tina (Sn)<br />
Molybdeeni<br />
(Mo)<br />
Fosfori (P)<br />
Kupari (Cu)<br />
Titaani (Ti)<br />
Mangaani<br />
(Mn)<br />
Nikkeli (Ni)<br />
Kromi (Cr)<br />
Perlitointikerroin<br />
39<br />
7,90<br />
5,60<br />
4,90<br />
4,40<br />
0,44<br />
0,37<br />
0,37<br />
Ferritoivat<br />
Pii (Si)<br />
Austeniittia suo‐<br />
sivat<br />
suurina (min. 10%, u<strong>se</strong>in enemmän)<br />
pitoisuuksina mangaani (Mn) ja nikkeli<br />
(Ni)<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 20
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Kuva 13. Seosaineiden vaikutus ferriitin kovuuteen.<br />
Grafitoivat alkuaineet liukenevat raudan jähmettyessä austeniittiin ja edistävät grafiitin muodos‐<br />
tumista. Valmiissa raudassa ne esiintyvät liuenneena ferriittiin, jonka kovuutta ja lujuutta ne<br />
lisäävät. Karbidoivat aineet muodostavat it<strong>se</strong>kin karbideja hiilen kanssa, edistävät rautakarbidin<br />
muodostumista ja esiintyvät rakenteessa tavallisimmin <strong>se</strong>kakarbideina raudan kanssa tai toisinaan<br />
it<strong>se</strong>näisinä karbideina. Runsaat pitoisuudet johtavat helposti vapaan <strong>se</strong>mentiitin muodostuk<strong>se</strong>en ja<br />
rauta jähmettyy valkeana. Pienet pitoisuudet vaikuttavat perlitoivasti. Perlitoivat alkuaineet, joista<br />
nikkeli ja kupari sisältyvät myös grafitoivien metallien ryhmään, eivät raudan jähmettyessä edistä<br />
<strong>se</strong>mentiitin muodostusta, mutta pienentämällä hiilen diffuusionopeutta suosivat perliitin syntyä<br />
austeniitista ja lisäävät <strong>se</strong>n pysyvyyttä korkeissa lämpötiloissa. Niitä käyttäen voidaan varmentaa<br />
perliitti<strong>se</strong>n rakenteen saanti ilman, että valkoisuusvaara lisääntyy, ja ne myös suosivat perliitin<br />
hienorakeisuutta. Eri metallien grafitoiva tai karbidoiva vaikutus on erilainen. Ylläolevassa taulu‐<br />
kossa on esitetty grafitointikertoimet verrattuna piihin, jolle on annettu arvo 1.<br />
Teräk<strong>se</strong>t sisältävät alle 2,06 % hiiltä. Hiilen ohella ne<br />
sisältävät aina muitakin <strong>se</strong>osaineita. Näihin kuulu‐<br />
vat mangaani, pii, alumiini, fosfori ja rikki.<br />
Mangaani ja pii ovat hyödyllisiä <strong>se</strong>osaineita, joita<br />
sulatettavat raaka‐aineet sisältävät ja joita lisätään<br />
vielä teräk<strong>se</strong>n valmistuk<strong>se</strong>n yhteydessä kuten<br />
alumiiniakin. Fosfori ja rikki <strong>se</strong>n sijaan ovat haitalli‐<br />
sia aineita, jotka pyritään poistamaan teräksistä<br />
mahdollisimman tarkoin tai sitomaan vaarattomaan<br />
muotoon.<br />
Terästä sanotaan <strong>se</strong>ostamattomaksi, ellei <strong>se</strong> sisällä<br />
<strong>se</strong>osaineita siinä määrin, että ne hallit<strong>se</strong>vasti vaikut‐<br />
tavat teräk<strong>se</strong>n ominaisuuksiin. Eri standardeissa<br />
esiintyy toisistaan jonkin verran poikkeavia määrä‐<br />
yksiä siitä, miten paljon <strong>se</strong>ostamaton teräs saa<br />
kutakin <strong>se</strong>osainetta sisältää.<br />
Kuva 14. Eri <strong>se</strong>osaineiden vaikutus terästen<br />
eutektoidi<strong>se</strong>n pisteen sijaintiin.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 21
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Seosaineiden vaikutus eutektoidi<strong>se</strong>en pistee<strong>se</strong>en on otettava huomioon teräksillä. U<strong>se</strong>immat tär‐<br />
keistä <strong>se</strong>osaineista kohottavat eutektoidista pistettä vastaavaa lämpötilaa ja kaikki pienentävät sitä<br />
hiilipitoisuutta. Näin <strong>se</strong>osaineet vaikuttavat jo tasapainoa vastaaviin rakenteisiin. Mutta vielä tärke‐<br />
ämpi on nimenomaan pienten <strong>se</strong>osainemäärien kohdalla niiden vaikutus austeniitin<br />
hajaantumi<strong>se</strong>en ja muihin teräk<strong>se</strong>n rakenteessa eri lämpökäsittelyjen yhteydessä tapahtuviin muu‐<br />
toksiin. Seosaineet eivät vaikuta pelkällä läsnäolollaan vaan vaikutuk<strong>se</strong>t mekaanisiin<br />
ominaisuuksiin perustuvat niihin vaikutuksiin, joita <strong>se</strong>osaineilla on teräk<strong>se</strong>n rakentee<strong>se</strong>en. Kuhun‐<br />
kin rakentee<strong>se</strong>en liittyvät tietyt ominaisuudet ja <strong>se</strong>osaineet vain auttavat tämän rakenteen<br />
muodostumista lämpökäsittelyssä.<br />
Seosaineiden välittömästä vaikutuk<strong>se</strong>sta voidaan puhua vain silloin, kun ne liuenneina ferriittiin<br />
lujittavat terästä. Tämä lujittuminen perustuu niihin vaikutuksiin, joita ferriittiin liuenneilla <strong>se</strong>osa‐<br />
tomeilla on dislokaatioiden liikkee<strong>se</strong>en; vastaavanlainen vaikutus on <strong>se</strong>osaineilla austeniitissa.<br />
Lujittaessaan ferriittiä <strong>se</strong>osaineet vaikuttavat samalla <strong>se</strong>n muodonmuutoskykyyn ja erityi<strong>se</strong>sti<br />
lohkomurtumataipumuk<strong>se</strong>en. Fosfori suurentaa tätä taipumusta, kun taas mangaani ja nikkeli<br />
pienentävät sitä. Nikkelin ehkä tärkein tehtävä niukka<strong>se</strong>osteissa teräksissä on juuri siinä, että <strong>se</strong><br />
siirtää transitiolämpötilaa alaspäin ja heikentää siten teräk<strong>se</strong>n taipumusta lohkomurtumaan.<br />
Valuraudan jähmettyminen<br />
Kuva 15. Alieutekti<strong>se</strong>n valuraudan<br />
jäähtymiskäyrä. 1) Austeniitin kiteytyminen<br />
alkaa sularajalta. 2) Eutektinen pysähdys aus‐<br />
teniitin ja grafiitin kiteytyessä samanaikai<strong>se</strong>sti.<br />
3) Eutekti<strong>se</strong>n jähmettymi<strong>se</strong>n alkua edeltävä<br />
alijäähtyminen.<br />
Eutektisuus on erityi<strong>se</strong>n tärkeä valurautoihin liittyvä käsite. Fe‐C ‐<strong>se</strong>os jähmettyy tietyllä hiilipitoi‐<br />
suudella ilman jähmettymisaluetta ns. eutekti<strong>se</strong>ssa lämpötilassa. Tämä hiilipitoisuus on n.4,3% ja<br />
vastaava lämpötila n.1150°C systeemistä riippuen. Koko sula muuttuu tällöin eutekti<strong>se</strong>ssa reaktios‐<br />
sa ns. eutektikumiksi eli eutekti<strong>se</strong>ksi rakenteeksi. Metastabiilin systeemin tapauk<strong>se</strong>ssa käytetään<br />
muodostuvasta hauraasta austeniitti‐karbidi‐rakenteesta nimitystä ledeburiitti. Eutektinen reaktio<br />
tapahtuu myös ei‐eutektisilla koostumuksilla kun sulan raudan koostumus grafiitin tai austeniitin<br />
kiteytymi<strong>se</strong>n vuoksi saavuttaa eutekti<strong>se</strong>ssa lämpötilassa eutekti<strong>se</strong>n koostumuk<strong>se</strong>n. Tällöin valu‐<br />
raudan rakenteessa on esimerkiksi esieutekti<strong>se</strong>sti muodostunutta austeniittia ja <strong>se</strong>n väleissä<br />
eutekti<strong>se</strong>sti muodostunutta austeniitti‐grafiitti‐rakennetta.<br />
Pii ja fosfori, joita valuraudassa yleensä aina on, toimivat tavallaan hiilen korvikkeina. Niiden<br />
vaikutuk<strong>se</strong>sta pienempi hiilimäärä riittää saattamaan Fe‐C‐<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>n eutektista koostumusta vastaa‐<br />
vaan tilaan. Toisin sanoen em. aineet suosivat eutekti<strong>se</strong>ssa reaktiossa syntyneen rakenteen määrää<br />
esieutekti<strong>se</strong>n rakenteen määrän kustannuk<strong>se</strong>lla. Eutektinen rakennehan sisältää grafiittia (stab.),<br />
joten piitä ja fosforia sanotaan grafitoiviksi aineiksi. Vastaavasti <strong>se</strong>llaisia lisä‐ tai <strong>se</strong>osaineita, jotka<br />
lisäävät eutekti<strong>se</strong>en koostumuk<strong>se</strong>en vaadittavaa hiilipitoisuutta, sanotaan karbidoiviksi.<br />
Hiiliekvivalentti on luku, joka kuvaa valuraudan koostumusta eutekti<strong>se</strong>en koostumuk<strong>se</strong>en nähden.<br />
Sen arvo lasketaan kaavalla CE=C % + 1/3(Si % + P %). Pii ja fosfori on siis otettu tärkeimmän ele‐<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 22
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
mentin hiilen ohella huomioon ja niiden avulla ilmoitetaan <strong>se</strong> hiilimäärä, joka olisi pelkällä Fe‐C‐<br />
<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>lla eutekti<strong>se</strong>en koostumuk<strong>se</strong>en nähden vastaavassa tilassa. (Hiiliekvivalentista puhutaan<br />
myös juok<strong>se</strong>vuuden ja jäähtymiskäyttäytymi<strong>se</strong>n yhteydessä. Tällöin sovelletaan vastaavaan tarkoi‐<br />
tuk<strong>se</strong>en sopivampia hieman poikkeavia kaavoja.) Eutektinen kyllästysaste kuvaa samaa asiaa kuin<br />
hiiliekvivalentti mutta suoraan suhdelukuna.<br />
Alieutekti<strong>se</strong>n raudan jähmettyminen alkaa austeniittidendriittien kiteytymi<strong>se</strong>llä sulasta ennen<br />
lämpötilan laskemista eutekti<strong>se</strong>en lämpötilaan. Tätä esieutektista austeniitin muodostusta tapahtuu<br />
käytännössä myös eutektisilla ja jopa jonkin verran ylieutektisilla koostumuksilla. Haluttaessa<br />
voidaan puhua austeniittidendriittien ylimääräi<strong>se</strong>stä muodostuk<strong>se</strong>sta, millä on muuten vieläpä<br />
edullinen vaikutus lujuuteen.<br />
Ylieutekti<strong>se</strong>n valuraudan jähmettyminen alkaa periaatteessa grafiitin kiteytymi<strong>se</strong>llä suoraan sulas‐<br />
ta. Kevyellä grafiitilla on tällöin taipumus nousta sulan pinnalle ja jopa pilata valun yläosien<br />
rakenne. Tätä esieutektista eli primäärigrafiitin muodostusta pyritään yleensä välttämään kaikilla<br />
valurautatyypeillä.<br />
Molemmissa tapauksissa loppusulan koostumus lähestyy eutektista koostumusta saavuttaen <strong>se</strong>n<br />
eutekti<strong>se</strong>ssa lämpötilassa. Alkavassa eutekti<strong>se</strong>ssa reaktiossa eutektinen solu kasvaa grafiitin ja<br />
austeniitin yhtaikai<strong>se</strong>lla kasvulla. Solu laajenee sitä myöten kuin tilaa riittää. Aluksi grafiittia on siis<br />
vain eutekti<strong>se</strong>ssa solussa ja ylieutekti<strong>se</strong>lla koostumuk<strong>se</strong>lla myös primäärigrafiittina. Merkittävä osa<br />
grafiitin muodostuk<strong>se</strong>sta tapahtuu kuitenkin eutekti<strong>se</strong>n reaktion jälkeen erkautumi<strong>se</strong>lla kiinteästä<br />
austeniitista ja eutektoidi<strong>se</strong>n reaktion jälkeen vielä esim. ferriitistä. Näin lopullinen grafiittirakenne<br />
riippuu osittain myös eutekti<strong>se</strong>n reaktion ulkopuolisista tekijöistä.<br />
Kuva 16. Tavalli<strong>se</strong>n alieutekti<strong>se</strong>n suomugrafiit‐<br />
tivaluraudan tyypillinen jäähtymiskäyrä (johtaa A‐<br />
tyypin grafiittirakentee<strong>se</strong>en).<br />
Kuva 17. B‐ ja D‐tyypin grafiittijakauma<br />
edellyttää suurempaa alijäähtymistä kuin A‐tyypin.<br />
Valkoi<strong>se</strong>na jähmettyminen ja karbidit. Jähmettyminen voi tapahtua joko stabiilin rauta‐grafiitti‐<br />
systeemin tai metastabiilin rauta‐<strong>se</strong>mentiitti‐systeemin mukai<strong>se</strong>sti. Jälkimmäi<strong>se</strong>ssä tapauk<strong>se</strong>ssa<br />
eutektinen lämpötila on <strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>sta riippuen kymmeniäkin asteita alhai<strong>se</strong>mpi. Grafiitin ydintymi‐<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 23
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
nen on kuitenkin harvoin niin helppoa, ettei alijäähtymistä tapahtuisi. Riittävän suurella alijäähty‐<br />
mi<strong>se</strong>llä ajaudutaan lämpötilaan, jossa jähmettyminen voi tapahtua metastabiilin systeemin<br />
mukai<strong>se</strong>sti. Sementiitin muodostus on kuitenkin toivottavaa vain tarkoituk<strong>se</strong>lli<strong>se</strong>ssa valkoi<strong>se</strong>ksi<br />
valussa. Näin tavallisten valurautojen valussa olisi varmistuttava siitä, että jähmettyminen tapahtuu<br />
metastabiilin systeemin eutekti<strong>se</strong>n lämpötilan yläpuolella.<br />
Kuvassa on periaatteelli<strong>se</strong>sti esitetty tavalli<strong>se</strong>n alieutekti<strong>se</strong>n suomugrafiittivaluraudan jäähtymis‐<br />
käyrä. Siinä on aina havaittavissa lievä alijäähtyminen ennen, kuin eutektinen reaktio pää<strong>se</strong>e<br />
käynnistymään. Reaktion päästyä käyntiin vapautuva lämpö nostaa sulan lämpötilaa. Sulan huve‐<br />
tessa ja reaktion voiman heikentyessä lämpövirta muottiin saa lämpötilan jälleen laskemaan.<br />
Tällainen niukalla alijäähtymi<strong>se</strong>llä jähmettynyt suomugrafiittivalurauta on rakenteeltaan ns. A‐<br />
tyyppiä. Jos alijäähtyminen on suurempaa, grafiitti saattaa muodostaa B‐ tai D‐tyypin rakennetta<br />
(Kuva 17).<br />
Raudan ja hiilen muodostama metastabiili karbidi Fe3C on hyvin pysyvä, kova ja hauras. Tämän ns.<br />
<strong>se</strong>mentiitin ytimenmuodostus on kinetti<strong>se</strong>sti edulli<strong>se</strong>mpaa kuin grafiitin, vaikka grafiitin kiteytyes‐<br />
sä vapaan energian kasvu on suurempi. Ts. alhaisissa lämpötilossa hiili sitoutuu helpomminkin<br />
<strong>se</strong>mentiitiksi (tai muiksi karbideiksi) kuin grafiitiksi, ellei ytimenmuodostuk<strong>se</strong>n ongelma ratkea<br />
muutoin. Hiilen liittyminen jo olemassa oleviin grafiittialueisiin on tietysti kaikkein helpointa, jos<br />
diffuusio (kulkeutuminen kiinteässä tilassa) vain järjestyy.<br />
Kuva 18. Osittain valkoi<strong>se</strong>ksi jähmettyneen<br />
suomugrafiittivaluraudan jäähtymiskäyrä.<br />
Jos jäähtymisnopeus on riittävän suuri ja grafiitin kiteytymisolosuhteet huonot esim. valun ohuissa<br />
kohdissa tai nurkissa, saattaa sulan lämpötila laskea alle metastabiilin systeemin eutekti<strong>se</strong>n lämpö‐<br />
tilan ennen kuin vapautuva lämpö nostaa jälleen lämpötilaa (Kuva 18). Näin reaktio päättyy<br />
hyvinkin metastabiilin rauta‐rautakarbidi‐systeemin eutekti<strong>se</strong>n lämpötilan yläpuolella, mutta<br />
rakentee<strong>se</strong>en on silti päässyt muodostumaan rautakarbidia. Joskus tähän rakennetyyppiin viitataan<br />
termillä täplikäs valurauta.<br />
Täydellinen valkoi<strong>se</strong>ksi jähmettyminen tapahtuu, kun eutektinen reaktio tapahtuu kokonaan meta‐<br />
stabiilin eutekti<strong>se</strong>n lämpötilan alla (Kuva 19). Varsinkin vähähiilisillä alieutektisilla valuraudoilla<br />
eutektista sulaa (austeniitin kiteydyttyä ensin dendriitteinä) jää vain vähän jäljelle eutektista reak‐<br />
tiota varten ja vapautuva lämpö jää samoin vähäi<strong>se</strong>ksi. Näin jo vaatimattomampikin<br />
jäähtymisnopeus kykenee painamaan reaktion tapahtumalämpötilan alle em. lämpötilarajan. Taval‐<br />
li<strong>se</strong>sti on siis kysymys alieutektisista koostumuksista, joskin myös ylieutektinenkin rauta voi<br />
sopivassa olosuhteissa jähmettyä kutakuinkin kokonaan valkoi<strong>se</strong>na. Grafiitin kiteytyminen on yhtä<br />
kaikki kuitenkin oltava estynyt, mikä tapahtuu parhaiten riittävän matalalla hiiliekvivalenttiarvolla,<br />
suurella jäähtymisnopeudella ja karbidoivien <strong>se</strong>osaineiden avulla. Metastabiilin systeemin mukai‐<br />
<strong>se</strong>ssa jähmettymi<strong>se</strong>ssä alieutektinen valurauta muodostaa esieutekti<strong>se</strong>n austeniittidendriittien väliin<br />
loppusulan saavuttaessa ko. eutekti<strong>se</strong>n koostumuk<strong>se</strong>n ja lämpötilan ns. ledeburiittia. Ledeburiitissa<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 24
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
austeniitti jää saarekkeiksi <strong>se</strong>mentiittimatriisiin. Sementiittihän on kovaa ja haurasta ‐ ledeburiitin<br />
ominaisuudet ovat <strong>se</strong>n mukaisia.<br />
Kuva 19. Kokonaan valkoi<strong>se</strong>ksi jähmettyneen<br />
raudan jäähtymiskäyrä.<br />
Kuva 20. Raerajakarbidien syntyminen jäähtymis‐<br />
käyrän avulla esitettynä.<br />
Kuva 21. Suotautumi<strong>se</strong>n ansiosta loppusulan taipu‐<br />
mus raerajakarbidien muodostuk<strong>se</strong>en lisääntyy.<br />
Rautakarbidia voi muodostua myös eutekti<strong>se</strong>n reaktion loppuvaiheessa, vaikka koko rakenne ei<br />
tulisikaan valkoi<strong>se</strong>ksi (Kuva 20). Näin saataa käydä, kun sulaa on vielä jäljellä, mutta reaktion<br />
voima heikkenee päästäen lämpötilan laskemaan. Loppusulahan jää tietysti eutektisten solujen raja‐<br />
alueille. Syntynyttä karbidirakennetta sanotaan <strong>tästä</strong> syystä raerajakarbidiksi. Vähäi<strong>se</strong>lläkin määräl‐<br />
lä raerajakarbideja on näkyvä vaikutus mekaanisiin ja työstöominaisuuksiin.<br />
Seosaineiden vaikutusta jähmettymisrakentee<strong>se</strong>en korostaa myös aina jossain määrin tapahtuva<br />
suotautuminen. Esim. karbidoivat aineet ja austeniittiin huonosti liukenevat aineet tapaavat suotau‐<br />
tua jähmettymisrintaman edeltä jäljellä olevaan sulaan. Grafitoivat aineet taas suotautuvat<br />
tyypilli<strong>se</strong>sti jähmettynee<strong>se</strong>en austeniittiin. Näin sulan <strong>se</strong>osainepitoisuudet poikkeavat merkittävästi<br />
jähmettymi<strong>se</strong>n loppuvaiheessa siitä, mitä ne olivat alussa. Seosaineiden suotautuminen siis kaven‐<br />
taa eutektisten lämpötilojen väliä tavalli<strong>se</strong>sti ja edistää raerajakarbidien muodostumista (Kuva 21).<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 25
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Seosainepitoisuudet yleensä ja etenkin karbidoivat aineet aiheuttavat suotautumisongelmia. Grafi‐<br />
toivien aineidenkaan lisäämistä ei pidetä parhaana ratkaisuna tähän. Sen sijaan on vältettävä<br />
yleensäkin kaikkia suotautuvia aineita ja nopeutettava eutektista jähmettymistä <strong>se</strong>kä lisättävä<br />
eutektisten solujen lukumäärää (vrt. ymppäys). Tällä pyritään suotautumi<strong>se</strong>en liittyvien välimatko‐<br />
jen pienentämi<strong>se</strong>en (diffuusion helpottaminen).<br />
Seosaineiden vaikutuk<strong>se</strong>t valuraudoissa<br />
Hiili (C). Joskin hiilen, piin ja fosforin pitoisuuksia hiiliekvivalenttiyhtälön (Hiiliekvivalentti CE = C<br />
% + 1/3(Si % + P %) puitteissa tasapainottamalla on mahdollista tietyissä rajoissa saavuttaa sama<br />
metallinen perusrakenne eri suurilla hiilipitoisuuksilla, on ilmeistä, etteivät saadut raudat kuiten‐<br />
kaan ole kaikissa suhteissa samankaltaisia. Perusmassaan sitoutuneen hiilimäärän ollessa sama<br />
täytyy runsashiili<strong>se</strong>mmän raudan grafiittimäärän olla suurempi ja tavalli<strong>se</strong>sti myös grafiitin asu on<br />
toinen. Muuttuva piipitoisuus vaikuttaa samalla silikoferriitin ominaisuuksiin ja fosforin mahdolli‐<br />
silla muutoksilla on oma it<strong>se</strong>näinen vaikutuk<strong>se</strong>nsa.<br />
Runsashiili<strong>se</strong>n raudan suurempi grafiittimäärä vaikuttaa <strong>se</strong>n valutekni<strong>se</strong>en käyttäytymi<strong>se</strong>en, ime‐<br />
vyyteen. Koska hiili grafiittina on tilaaottavampi kuin rautakarbidissa Fe3C kemialli<strong>se</strong>sti<br />
sitoutuneena, merkit<strong>se</strong>e suuremman grafiittimäärän erottuminen eutekti<strong>se</strong>n kiteytymi<strong>se</strong>n aikana<br />
suurempaa kompensaatiota raudan kutistumi<strong>se</strong>lle lämpötilan aletessa ja siten pienempää imevyyt‐<br />
tä. Suuri hiilipitoisuus on siten eduksi imua lieventävänä tekijänä, kuitenkin sillä varauk<strong>se</strong>lla, ettei<br />
primäärigrafiittia (kuohugrafiittia) erotu suoraan sulasta. Lujuusnäkökohtien kannalta olisi edulli‐<br />
<strong>se</strong>mpaa lujien valurautaluokkien valmistuk<strong>se</strong>ssa järjestää hiiliekvivalenttiarvon tarvittava alennus<br />
pudottamalla mieluummin hiili‐ kuin piipitoisuutta, mutta silloin on erottuvan grafiitin määrä<br />
pienempi, syöttökompensaatio siis vähäi<strong>se</strong>mpi, ja odotettavissa olisi niukkahiilisille raudoille<br />
ominaisia imu‐ ja syöttövaikeuksia. Näistä <strong>se</strong>ikoista johtuen on käytäntö vienyt sovitteluratkaisuun,<br />
jossa valuraudan eri lujuusluokkien valmistuk<strong>se</strong>ssa porrastus hiiliekvivalenttiarvon alentami<strong>se</strong>ksi<br />
jaetaan hiili‐ ja piipitoisuuksien kesken.<br />
On kuitenkin tapauksia, joissa erityi<strong>se</strong>t syyt vaativat poikkeamaan tavanomaisista suhteista. Eräs<br />
syy on hyvän lämmönjohtokyvyn tavoittelu. Kappaleissa, jotka joutuvat käytössä äkillisten lämpö‐<br />
vaihtelujen alai<strong>se</strong>ksi, on edullista pyrkiä haluttuun hiiliekvivalenttiarvoon soveltaen tavanomaista<br />
suurempaa hiili‐ ja tavanomaista pienempää piipitoisuutta. Näin saadaan runsasgrafiittinen rauta,<br />
jonka lämmönjohtokyky on hyvä. Luonteenomaisia esimerkkejä ovat jarrurummut ja terästehtaan<br />
kokillit valssattavien tai taottavien aihioiden valua varten. Viimemainitussa, ja yleensäkin vastaa‐<br />
vanlai<strong>se</strong>ssa korkealämpötilakäytössä, on grafiitin karkea, isosuomuinen rakenne<br />
lämpösysäyk<strong>se</strong>nkestävyyttä parantava lisäetu.<br />
Pii (Si). Pii on happiaktiivinen alkuaine, joka sitoo hapen stabiileiksi oksideiksi. Valuraudoissa pii<br />
edistää grafiitinmuodostusta. Ilman piitä ei harmaata valurautaa voida valmistaa. Pii lisää ferriitin<br />
määrää ja pienentää näin valuraudan kovuutta ja lujuutta. Ferriittiin liuenneena pii nostaa ferriitin<br />
lujuutta, mutta heikentää <strong>se</strong>n sitkeyttä. Tämä vaikutustapa tulee etualalle piipitoisuuden ollessa<br />
erittäin suuri. Erkautuvan grafiitin määrä on suurimmillaan hieman alle 3 %:n piipitoisuuksilla.<br />
Koska suuremmat piipitoisuudet haurastuttavat valurautaa, ei suurempia piimääriä yleensä käyte‐<br />
tä. Normaalit Si‐pitoisuudet ovat 1‐3 %. Alemmilla piipitoisuuksilla valetaan massiivisia lujia<br />
kappaleita ja suuremmilla piipitoisuuksilla ohuempia kappaleita.<br />
Samanaikai<strong>se</strong>t suuret pii‐ ja hiilipitoisuudet voivat aiheuttaa primäärigrafiitin erottumista raudassa<br />
jo ennen <strong>se</strong>n jähmettymistä. Tämä niin sanottu kuohugrafiitti nou<strong>se</strong>e raudan pinnalle, mitätöi<br />
lujuusominaisuudet, heikentää raudan juok<strong>se</strong>vuutta ja voi muodostaa rautaan haitallisia sulkeumia,<br />
<strong>tästä</strong> syystä sitä on pyrittävä erityi<strong>se</strong>sti karttamaan. Tästä johtuen CE ‐arvo rajoitetaan paksuissa<br />
kappaleissa noin 4,5 %:iin ja ohuissa noin 4,8 %:iin. Valimossa kuohugrafiitin vaara on lähinnä<br />
kupoliuunin, erityi<strong>se</strong>sti kuumailmauunin ja emäksi<strong>se</strong>n uunin alkuraudassa, sähköuunissa liikaa<br />
hiiletettäessä tai yleensä virheelli<strong>se</strong>sti suunnitellun koostumuk<strong>se</strong>n tai panok<strong>se</strong>n yhteydessä.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 26
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Pallografiittivalurautoja valmistetaan korkeissa lämpötiloissa käytettäviin kohteisiin 3‐4,5 %:n<br />
piipitoisuuksilla. Tällai<strong>se</strong>n raudan venymä ja sitkeys ovat heikkoja. Tulenkestävyys saavuttaa<br />
huippunsa 6 %:n piipitoisuudella, sitkeyden kustannuk<strong>se</strong>lla.<br />
Piitä käytetään valuraudan ymppäysaineena, yleensä 75 % FeSi:nä, joka voi sisältää lisäksi 1,5% Al<br />
ja 0,5% Ca <strong>se</strong>kä mahdolli<strong>se</strong>sti vielä bariumia, strontiumia, zirkoniumia, mangaania ym. Puhtaan<br />
FeSi:n ymppäysvaikutus on heikko. Ymppäyk<strong>se</strong>n tarkoituk<strong>se</strong>na on saada valurauta jähmettymään<br />
harmaana ja pienikitei<strong>se</strong>nä.<br />
Mangaani (Mn). Mangaani on valuraudassa vaikutuk<strong>se</strong>ltaan kahdenlainen pitoisuusalueestaan ja<br />
muiden alkuaineiden, erityi<strong>se</strong>sti rikin määrästä riippuen. Tiettyyn rajaan asti on <strong>se</strong>n vaikutusta<br />
tarkasteltava suhteessaan rikkiin, <strong>se</strong>n ylimenevältä osalta it<strong>se</strong>näi<strong>se</strong>nä <strong>se</strong>osaineena.<br />
Mangaania käytetään valuraudoissa, kuten teräksissäkin kuumahaurautta aiheuttavan rikin sitomi‐<br />
<strong>se</strong>en. Rikki sitoutuu raudassa rautasulfidiksi, jonka sulamispiste on vain 985 ºC. Se on siis raudan<br />
viimei<strong>se</strong>nä jähmettyviä aineosia ja sijoittuu eutektisten solujen raerajoille kuten steadiittikin. Rauta‐<br />
sulfidi FeS vaikuttaa erittäin voimakkaasti karbidoivasti. Siten <strong>se</strong> aiheuttaa kovia valukappaleita ja<br />
niissä erilaisia häiriötiloja jähmettymi<strong>se</strong>ssä, pintavalkoisuutta, sisävalkoisuutta, <strong>se</strong>kä valuvikojen<br />
lisääntynyttä vaaraa. Raudan mangaanipitoisuuden ollessa riittävä sitoutuu rikki mangaanisulfi‐<br />
diksi MnS, jonka sulamispiste on 1610 ºC. Mangaanipitoisuuden on kuumahaurauden välttämi<strong>se</strong>ksi<br />
oltava vähintään <strong>se</strong>uraavan yhtälön mukainen:<br />
Mn % = 1,7 x S % + 0,35 %.<br />
Imuvaaran pienentyminen jatkuu kuitenkin yli yhtälön edellyttämän mangaanipitoisuuden, mutta<br />
mikäli pyrkimyk<strong>se</strong>nä on mahdollisimman ferriittirikas, helposti työstettävä rauta, vältetään tarpee‐<br />
tonta ylitystä. Pyrittäessä perliitti<strong>se</strong>en rakentee<strong>se</strong>en käytetään suurempia Mn‐pitoisuuksia. Mn‐<br />
pitoisuudet ovat harmailla valuraudoilla yleensä 0,5–1,0 %. Tätä suuremmat pitoisuudet johtavat<br />
valkoi<strong>se</strong>en rakentee<strong>se</strong>en ja martensiitin syntyyn. Jos Mn ‐pitoisuus ylittää 10 %, rakenne tulee<br />
austeniitti<strong>se</strong>ksi.<br />
Joskin em. yhtälön puitteissa voidaan mangaanilla välttää rikin haitallisia vaikutuksia, ei kuiten‐<br />
kaan ole tarkoituk<strong>se</strong>nmukaista yrittää korjata näin kohtuuttoman korkeita rikkipitoisuuksia.<br />
Muodostuvat runsaat mangaanisulfidimäärät pyrkivät varsinkin suurissa rautamäärissä ja valu‐<br />
kappaleissa nou<strong>se</strong>maan yläpinnalle, missä ne yhdessä ilman vaikutuk<strong>se</strong>sta raudan pinnalle<br />
syntyneiden oksidien kanssa muodostavat herkkäliikkeistä kuonaa. Kappaleen yläosaan pyrkii<br />
silloin muodostumaan ʺlikasulkeumiaʺ, joille myös kaasurakkuloiden runsas esiintyminen on<br />
ominaista. Laatuvaatimuksissa rajataan rikki tavalli<strong>se</strong>sti joko 0,10 % S tai 0,12 % S enimmäispitoi‐<br />
suuteen. Mangaani/rikki‐ta<strong>se</strong>yhtälön mukaan riittää silloin noin 0,50 tai 0,55 % mangaanipitoisuus<br />
tasapainotuk<strong>se</strong>en, mutta aikai<strong>se</strong>mmin mainituista syistä käytetään u<strong>se</strong>in jonkin verran enemmän, ei<br />
kuitenkaan yleensä yli 1,0 % Mn.<br />
Pallografiittivaluraudoissa, joissa rikkipitoisuus on alhainen, Mn vaikuttaa perlitoivasti. Ferriitti‐<br />
<strong>se</strong>ksi lämpökäsiteltävän raudan mangaanin enimmäispitoisuus on 0,35 %. Suuremmilla<br />
pitoisuuksilla lämpökäsittelyaika pitenee. Valutilassa ferriittistä rautaa voidaan valmistaa erikois‐<br />
harkkoraudoista, joiden Mn‐pitoisuus on alle 0,05 %. Seostetuissa valuraudoissa Mn on<br />
voimakkaasti karkenevuutta lisäävä aine.<br />
Kromi (Cr). Kromi on erittäin stabiileja ja kovia karbideja muodostava aine. Sen karbidoiva vaiku‐<br />
tus on erittäin voimakas. Tavallisissa suomugrafiittivaluraudoissa joko yksinään tai yhdessä<br />
muiden <strong>se</strong>osaineiden kanssa käytettävä kromipitoisuus vaihtelee alueella 0,13–1,0 % Cr. Tavoittee‐<br />
na voi olla lujuuden, tulenkestävyyden, kulutuskestävyyden tai ‐ mihin kuitenkin tarvitaan paljon<br />
suurempia pitoisuuksia ‐ korroosion kestävyyden parantaminen. Kromin stabiloimat karbidit ovat<br />
kestäviä myös korkeissa lämpötiloissa, mistä johtuen kromia sisältävä valkeaksi jähmettynyt rauta<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 27
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
ei ole hehkutuk<strong>se</strong>lla pehmennettävissä. Romun lajittelussa ja kiertoromun käsittelyssä on tarkoin<br />
pidettävä huolta, ettei kromia tahattomasti pää<strong>se</strong> sulatettaviin panoksiin. Lujien valurautalaatujen<br />
valmistuk<strong>se</strong>ssa varsinkin ohuita kappaleita varten voidaan kromin karbidoivaa vaikutusta kom‐<br />
pensoida nikkelin tai kuparin samanaikai<strong>se</strong>lla käytöllä. Keskinkertaista tulenkestävyyttä<br />
edellyttäviin tarkoituksiin noin 850 ºC:een käyttölämpötiloihin saakka käytetään 0,6–1,0 % Cr:lla<br />
<strong>se</strong>ostettuja suomugrafiittivalurautoja, samoin pyrittäessä kemialli<strong>se</strong>n kestävyyden rajoitettuun<br />
parantami<strong>se</strong>en. Seostettavan raudan hiili‐ ja piipitoisuuden ollessa suurehko pysyy murtopinta<br />
vielä harmaana 10mm ylittävillä <strong>se</strong>inämänpaksuuksilla.<br />
Nikkeli (Ni). Nikkeli on kuten kuparikin grafitoiva aine, joka edistää raudan jähmettymistä har‐<br />
maana. Niukasti <strong>se</strong>ostetuissa laaduissa Ni‐pitoisuudet vaihtelevat välillä 0,5–2,0 %. Nikkeli edistää<br />
perliitti<strong>se</strong>n rakenteen syntymistä. Harmaiden valurautojen lujuutta voidaan nostaa pienentämällä<br />
C‐ ja Si‐pitoisuuksia ja <strong>se</strong>ostamalla samalla nikkeliä. Nikkeli parantaa lievästi korroosionkestoa noin<br />
1 %:iin asti. Ferriittiin liuenneena nikkeli nostaa <strong>se</strong>n lujuutta. Kromi‐ ja molybdeeni<strong>se</strong>osteisissa<br />
raudoissa nikkeli kompensoi näiden <strong>se</strong>osaineiden karbidoivaa vaikutusta. Pallografiittivaluraudois‐<br />
sa nikkeli<strong>se</strong>ostus soveltuu perliittisten ja karkaistavien laatujen valmistuk<strong>se</strong>en. Runsaalla Ni‐<br />
<strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>lla voidaan valmistaa austeniittisia suomu‐ tai pallografiittivalurautoja, joilla on <strong>se</strong>uraavia<br />
erityisominaisuuksia: hyvä syöpymiskestävyys, eroosionkestävyys, hyvät liukuominaisuudet<br />
kromia sisältävissä laaduissa, tulenkestävyys ja kuumalujuus, sitkeys alhaisissa lämpötiloissa,<br />
epämagneettisuus ja laadusta riippuen pieni lämpöpitenemiskerroin, josta on hyötyä lämpötilan‐<br />
vaihtelukestävyydelle ja mittaustekniikassa käytettäville laitteille.<br />
Kupari (Cu). Kupari on <strong>se</strong>osaineena valuraudoissa monilta ominaisuuksiltaan nikkelin kaltainen.<br />
Se edistää valuraudan jähmettymistä harmaana, edistää perliittisyyttä (nikkeliä paremmin), paran‐<br />
taa lievästi korroosion kestoa ja lisää karkenevuutta. Koska kupari on nikkeliä halvempi <strong>se</strong>osaine,<br />
on <strong>se</strong>n käyttö perlitoivana aineena lisääntynyt viime aikoina nikkelin kustannuk<strong>se</strong>lla. Kupari voi<br />
aiheuttaa kuumahaurautta hapettavissa olosuhteissa, kun raudan lämpötila ylittää kuparin sula‐<br />
mispisteen 1083 ºC.<br />
Nikkeli & kupari. Nikkeli liukenee rautaan rajoituk<strong>se</strong>tta kaikissa pitoisuuksissa. Kuparilla on<br />
rajoitettu liukoisuus 3‐3,5 % saakka, jonka ylimenevänä <strong>se</strong> on todettavissa mikroskoopilla erilli<strong>se</strong>nä<br />
faasina. Nikkeli lisää kuparin liukoisuutta siten, että kukin pro<strong>se</strong>ntti nikkeliä nostaa kuparin liukoi‐<br />
suutta noin puoli pro<strong>se</strong>nttia. Lievästi <strong>se</strong>ostetuissa raudoissa käytetyt määrät vaihtelevat<br />
tavallisimmin 0,5–2,0 %. Tavallisin nikkeli/kromi‐suhde on 3:l.<br />
Näissä puitteissa nikkeli ja kupari:<br />
− edistävät jähmettymistä harmaaksi<br />
− pienentävät <strong>se</strong>inämänherkkyyttä<br />
− edistävät perliittisyyttä (kupari voimakkaammin)<br />
− sallivat hiili‐ ja piipitoisuuden pienentämi<strong>se</strong>n valkoisuusvaaran lisääntymättä ja siten suu‐<br />
rempien lujuuksien saavuttamista<br />
− parantavat lievästi korroosionkestävyyttä noin 1% pitoisuuteen saakka<br />
− parantavat karkenevuutta<br />
− soveltuvat käytettäväksi kromi‐ tai molybdeeni<strong>se</strong>osteisissa raudoissa kompensoimaan näi‐<br />
den <strong>se</strong>osmetallien karbidoivaa vaikutusta. Erittäin lujien rautalaatujen valmistus käy siten<br />
mahdolli<strong>se</strong>ksi.<br />
Alumiini (Al). Alumiini on erittäin tehokas pelkistysaine. Teräsvalut pelkistetään aina alumiinilla.<br />
Pieni alumiinipitoisuus (0,01–0,03 %) grafitoi ja lisää eutektisten solujen tiheyttä <strong>se</strong>kä vähentää<br />
tehokkaasti raudan taipumusta jähmettyä valkoi<strong>se</strong>ksi. Tämä vaikutus on kuitenkin tehokkaampi<br />
alumiini ollessa ymppäysaineen ainesosana kuin <strong>se</strong>osaineena raudassa. Alumiini lisää kuitenkin<br />
suuresti vedyn liukoisuutta sulaan rautaan ja siten kaasuhuokoisuuden vaaraa raudan tullessa<br />
kosketuk<strong>se</strong>en kostean valuastian tai kaavaushiekan kanssa. Suurempina pitoisuuksina (1‐30 %)<br />
käytetään alumiinia varsinaisissa alumiini<strong>se</strong>ostetuissa valuraudoissa.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 28
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Magnesium (Mg). Magnesiumia käytetään pallografiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>ssa grafiitin pal‐<br />
louttami<strong>se</strong>en. Magnesiumpitoisuuden raudassa on oltava noin 0,040 %. Vermikuliitti<strong>se</strong>n eli<br />
tylppägrafiittivaluraudan valmistuk<strong>se</strong>en käytetään hieman pienempiä magnesiumpitoisuuksia.<br />
Magnesiumpalloutusaineet sisältävät u<strong>se</strong>in noin 1 % ceriumia, joka vähentää palloutumista estävien<br />
haitta‐aineiden vaikutusta. Magnesiumia voidaan käyttää myös rikinpoistoon.<br />
Cerium (Ce). Ceriumia käytetään pallografiittivaluraudoissa magnesiumin ohella, koska pieni<br />
cerium lisäys varmentaa <strong>se</strong>n, etteivät vähäi<strong>se</strong>t raaka‐aineiden epäpuhtautena rautaan joutuneet<br />
hivenaineet vaaranna palloutuskäsittelyn onnistumista. Kaupalli<strong>se</strong>lla nimellä tunnettu Mischmetal<br />
sisältää noin 45–55 %, ceriumia, 22–30 % lantaania, 15–18 % neodyymia, 5 % pra<strong>se</strong>odyymia ja pari %<br />
muita harvinaisia maametalleja.<br />
Kalsium (Ca). Kalsium ei ole varsinai<strong>se</strong>sti <strong>se</strong>osaine. Sitä käytetään CaSi‐muodossa valuraudan<br />
ymppäyk<strong>se</strong>en. Kalsiumpii ʺCaSiʺ on ferropiin jälkeen yleisimmin käytetty ymppäysaine. Sen kal‐<br />
siumpitoisuus on 20–30 % Ca, piipitoisuus 50–70 % Si, hiilipitoisuus yleensä alle 1 % C ja<br />
alumiinipitoisuus noin 2% Al; loput on pääasiassa rautaa. U<strong>se</strong>iden ymppäyk<strong>se</strong>en käytettyjen ainei‐<br />
den vaikutusteho perustuu niiden kalsiumpitoisuuteen. Näin on myös ferropiin laita.<br />
Molybdeeni (Mo). Molybdeeni suosii voimakkaasti perliitin muodostusta, mutta <strong>se</strong>n karbidoiva<br />
vaikutus on 0,6 %:n molybdeenipitoisuuteen saakka vähäinen. Se on tehokkain <strong>se</strong>osaine valuraudan<br />
lujuuden kohottami<strong>se</strong>ksi ja erittäin sopiva käyttötarkoituksissa, joissa edellytetään kuumalujuutta.<br />
Molybdeeni siirtää S‐käyrän a<strong>se</strong>maa huomattavasti oikealle, ja nikkelin läsnäolo vielä tehostaa<br />
siirtymää. Tasapainottamalla nikkelipitoisuus <strong>se</strong>inämänpaksuuden mukaan on mahdollista saada<br />
aikaan luja bainiittinen rakenne muodostumaan jo valukappaleen jähmettymi<strong>se</strong>ssä. Käytetyt mo‐<br />
lybdeenipitoisuudet ovat 0,5–1,0 %. Molybdeenia käytetään myös estämään ns. päästöhaurauden<br />
synty martensiittisissa raudoissa. Kulutusta kestävissä runsaasti <strong>se</strong>ostetuissa kromi‐<br />
molybdeeniraudoissa ovat kromipitoisuudet 14–18 % ja molybdeenipitoisuudet 2,5–3,5 %. Nämä<br />
valuraudat jähmettyvät valkoisina. Molybdeenia on käytettävä vain niukkafosforisissa valuraudois‐<br />
sa, koska <strong>se</strong> suotautuu steadiittiin. Muutoin <strong>se</strong> jää <strong>se</strong>osaineena ilman vaikutustehoa ja lisää<br />
imuhuokoisuuden vaaraa. Molybdeenin hinnan ollessa korkeimmillaan on harkittu <strong>se</strong>n korvaamis‐<br />
ta bainiittisten valurautojen valmistuk<strong>se</strong>ssa volframilla, jonka vaikutus on samankaltainen, joskin<br />
lievempi.<br />
Volframi (W). Ferrovolframi sisältää 55–80 % volframia. Sen hiilipitoisuus on tavalli<strong>se</strong>sti alle 1 %.<br />
Volframia on sulatuk<strong>se</strong>ssa pyrittävä suojaamaan hapettumi<strong>se</strong>lta vastaavasti kuin molybdeeniakin,<br />
sillä myös <strong>se</strong>n oksidi on melko helposti höyrystyvä. Molybdeenin hinnan ollessa korkeimmillaan on<br />
harkittu <strong>se</strong>n korvaamista bainiittisten valurautojen valmistuk<strong>se</strong>ssa volframilla, jonka vaikutus on<br />
samankaltainen, joskin lievempi.<br />
Titaani (Ti). Titaani on voimakas pelkistysaine, mutta <strong>se</strong>n vaikutuk<strong>se</strong>lle on kuitenkin ominai<strong>se</strong>m‐<br />
paa sitoutuminen rikkiin ja typpeen. Yhtyneenä rikkiin titaanisulfidiksi (TiS2) eliminoi titaani<br />
vastaavalla tavalla rikin haitallisia vaikutuksia kuin mangaanikin. Titaanin grafitoiva vaikutus on<br />
hieman nikkeliä ja kuparia suurempi. Titaanin tärkein ominaisuus on <strong>se</strong>n kyky sitoa typpi nitridiksi<br />
ja pienentää näin kaasuhuokoisuus vaaraa. Titaani suosii alijäähtyneen D ja E tyypin grafiitin muo‐<br />
dostumista, niin että erittäin hyvä työstöjälki on mahdollinen. Titaanin vaikutusteho tässä suhteessa<br />
on kuitenkin hyvin riippuva mm. läsnäolevista rikki‐ ja mangaanipitoisuuksista. Pallografiittivalu‐<br />
raudan valmistuk<strong>se</strong>ssa titaani on palloutumista haittaava alkuaine, jonka enimmäispitoisuudeksi<br />
suositellaan 0,05 %.<br />
Vanadiini (V). Voimakkaasti karbidoiva <strong>se</strong>osmetalli on vanadiini. Käyttöalue on 0,15–0,35 % V. Jos<br />
läsnä on myös 0,2‐0,3% fosforia, muodostuu rakentee<strong>se</strong>en hajanainen steadiitti/karbidieutekti, joka<br />
lisää raudan kulutuskestävyyttä voitelun ollessa puutteellinen. Vanadiini on <strong>tästä</strong> syystä esimerkik‐<br />
si die<strong>se</strong>lmoottorien sylinteriputkissa käytetty <strong>se</strong>osaine. Sitä käytetään u<strong>se</strong>in yhdessä titaanin kanssa.<br />
Zirkonium (Zr). Kuten titaani on zirkoniumkin tehokas pelkistysaine, joka edistää grafiitin erottu‐<br />
mista. Zirkoniumia on saatavissa <strong>se</strong>oksina, joissa pii on pääalkuaineena. U<strong>se</strong>at kaupalli<strong>se</strong>t<br />
ymppäysvalmisteet sisältävät zirkoniumia.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 29
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Fosfori (P). Tavoitteesta riippuen voi fosfori olla valuraudassa joko epäpuhtautena tai <strong>se</strong>osainee‐<br />
na. Sen käyttö perustuu u<strong>se</strong>in myös taloudellisiin näkökohtiin, sillä fosforiharkkoraudat ovat<br />
halvempia kuin hematiittiharkkoraudat, ja jos tietty fosforipitoisuus on sallittu, ovat myös romun<br />
käyttömahdollisuudet väljemmät. Rasitettu konerakennevalu tehdään yleensä hematiittiharkkoa ja<br />
teräsromua käsittävistä panoksista. Fosforipitoisuus on tavalli<strong>se</strong>sti silloin enintään 0,15 %, mutta<br />
u<strong>se</strong>immiten alle 0,10 %. Sylinterivalussa ja vastaavassa sallitaan noin 0,25 % P. Kevyesti rasitetussa<br />
konerakennevalussa ja kauppavalutavarassa voi pitoisuus olla 0,70 % P saakka. Suurempiin pitoi‐<br />
suuksiin ei olosuhteissamme ole mitään aihetta pyrkiä. Maissa, joissa tavataan pääasialli<strong>se</strong>sti vain<br />
fosforirikkaita malmeja ja hematiittiharkkorauta on tuontitavaraa, nou<strong>se</strong>e fosforipitoisuus eräissä<br />
tuotteissa jopa 1,2 % saakka.<br />
Pallografiittivaluraudoissa fosforipitoisuus rajoitetaan iskusitkeyttä vaativissa kohteissa 0,05 %:iin<br />
ja muissa kohteissa yleensä alle 0,1 %:n, fosforin iskusitkeyttä ja venymää alentavan vaikutuk<strong>se</strong>n<br />
johdosta.<br />
Fosfori edistää valuraudan jähmettymistä harmaana kuten pii. Fosfori parantaa valuraudan juok<strong>se</strong>‐<br />
vuutta, mutta heikentää <strong>se</strong>n sitkeyttä. Sitä käytetään <strong>se</strong>ostamattomien ohut<strong>se</strong>inäisten rautojen<br />
valuun. Valuraudan murtolujuus nou<strong>se</strong>e noin 0,35 %:n fosforipitoisuuteen asti.<br />
Valuraudassa fosfori muodostaa raudan ja rautakarbidin kanssa ternääri<strong>se</strong>n eutektikumin, steadii‐<br />
tin. Steadiitti parantaa raudan korroosionkestävyyttä. Steadiitti on kovaa ja kulutusta kestävää,<br />
mutta haurasta rakenneosaa. Raerakenteen kova steadiittiverkosto muodostaa hyvän kantavan<br />
pinnan voideltuihin liukupintoihin, ja grafiittisuomut edistävät voitelukalvon pysyvyyttä. Tiettyä<br />
fosforipitoisuutta pidetään <strong>tästä</strong> syystä edulli<strong>se</strong>na sylinterilaakeri‐ ja luistipintoja käsittävässä<br />
valussa. Steadiitin verkkomainen asu rakenteessa vaikuttaa, että <strong>se</strong> ei työstössä aiheuta varsinaisia<br />
esteitä leikkaami<strong>se</strong>lle, mutta steadiitin suuri kovuus 400–600 HB lisää kuitenkin terän kulumista ja<br />
lyhentää teroitusvälejä.<br />
Steadiitin alhainen sulamispiste tekee siitä kuitenkin kuumahauraan. Viimeksi sulana, herkkäliik‐<br />
kei<strong>se</strong>nä ainek<strong>se</strong>na fosforieutekti johtaa helposti kutistumahuokoisuuteen valukappaleen viimei<strong>se</strong>ksi<br />
jähmettymissä osissa vaikeuttaen siten painetiiviin valun valmistusta varsinkin vaihtelevin <strong>se</strong>inä‐<br />
mänpaksuuksin. Tästä syystä mm. moottorisylinteriryhmien valussa rajoitetaan fosforipitoisuus<br />
enimmäisarvoon 0,25 % P. Mikäli fosforin ohella on läsnä myös molybdeenia, sijoittuu tämä myös<br />
steadiittiin lisäten huokoisuusvaaraa. Molybdeenia sisältävän kiertoromun joutumista fosforia<br />
sisältäviin rautalaatuihin on varottava.<br />
Boori (B). Booria voidaan käyttää valuraudassa karbideja stabiloivana pelkistysaineena. Temperva‐<br />
lussa voidaan pientä booripitoisuutta käyttäen lyhentää lämpökäsittelyn aikaa. Myös eräissä<br />
erittäin lujissa rakenneteräksissä esiintyy booria. Boori on myös erittäin voimakkaasti karbidoiva<br />
alkuaine, joka helposti lisää särmäkovuuden vaaraa.<br />
Tina (Sn). Tina vaikuttaa jo erittäin pieninä määrinä voimakkaasti perlitoivasti lisäämättä silti<br />
it<strong>se</strong>näi<strong>se</strong>n <strong>se</strong>mentiitin esiintymi<strong>se</strong>n vaaraa. Sitä on <strong>tästä</strong> syystä viime aikoina ruvettu käyttämään<br />
<strong>se</strong>osaineena tapauksissa, joissa täysi perliittisyys on ehdoton vaatimus ja <strong>se</strong>inämän ohuuden takia<br />
joudutaan toimimaan niin korkealla CE‐arvolla, että perliittisyyden toteutuminen muulla tavoin<br />
tuottaa vaikeuksia. Käytetty pitoisuus on ollut 0,05–0,20 % Sn. Mm. autonmoottorin sylinteriryhmi‐<br />
en valmistuk<strong>se</strong>ssa on käytetty tina<strong>se</strong>ostusta. Puhdas tina liukenee helposti sulaan valurautaan.<br />
Mikäli tinaa käytetään, on <strong>se</strong>n pitoisuutta tarkoin <strong>se</strong>urattava ja vältettävä käyttöä yli perlitoimi<strong>se</strong>en<br />
tarvittavan määrän. Suurempien tinapitoisuuksien vaikutus on haitallinen.<br />
Barium ja strontium (Ba ja Sr). Barium ja strontium ovat maa‐alkalimetalleja kuten kalsiumkin,<br />
mutta eivät yhtä yleisiä luonnossa. Niitä sisältyy muutamia pro<strong>se</strong>ntteja eräisiin uusiin kaupallisiin<br />
ymppäysaineisiin. Kun ferropiissä on läsnä bariumia tai strontiumia lisääntyy ymppäysteho, niin<br />
että tullaan toimeen pienemmillä lisäyksillä. Ymppäysvaikutuk<strong>se</strong>n vaimeneminen on myös hitaam‐<br />
pi kuin tavallisilla ymppäysferropiilaaduilla.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 30
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Haitalli<strong>se</strong>t aineet valuraudoissa<br />
Ylei<strong>se</strong>sti käytettäviä <strong>se</strong>osaineita tulee käyttää sopivissa määrissä ja keskinäisissä määräsuhteissa.<br />
Myös tietyn matriisityypin tavoitteleminen a<strong>se</strong>ttaa rajoituksia mm. ferritoivien ja perlitoivien <strong>se</strong>os‐<br />
aineiden käytölle (katso myös kohta <strong>se</strong>osaineiden vaikutus ominaisuuksiin). Lisäksi <strong>se</strong> halutaanko<br />
harmaata vai valkeaa valurautaa <strong>se</strong>kä haluttu grafiittimuoto a<strong>se</strong>ttaa rajoituksia grafitoivien, karbi‐<br />
doivien ja palloutusta häirit<strong>se</strong>vien <strong>se</strong>osaineiden käytölle.<br />
Allaolevaan listaan on kerätty esimerkkejä edellämainituista tapauksista. Listan alla on taulukoita,<br />
joihin on koottu mm. palloutusta häirit<strong>se</strong>viä aineita ja niiden ohjeellisia enimmäispitoisuuksia.<br />
− Liian suuri hiilipitoisuus voi johtaa primäärigrafiitin eli kuohugrafiitin erottumi<strong>se</strong>en. Kuo‐<br />
hugrafiitti nou<strong>se</strong>e raudan pinnalle, mitätöi lujuusominaisuudet, heikentää raudan<br />
juok<strong>se</strong>vuutta ja voi muodostaa rautaan haitallisia sulkeumia.<br />
− Piipitoisuuden ollessa erittäin suuri <strong>se</strong> liukenee ferriittiin nostaen ferriitin lujuutta, mutta<br />
heikentäen <strong>se</strong>n sitkeyttä. Eli suuremmat piipitoisuudet haurastuttavat valurautaa. Lisäksi<br />
samanaikai<strong>se</strong>t suuret pii‐ ja hiilipitoisuudet voivat aiheuttaa primäärigrafiitin erottumista<br />
raudassa jo ennen <strong>se</strong>n jähmettymistä.<br />
− Mangaanin eri pitoisuudet vaikuttavat syntyviin mikrorakenteisiin, joten väärin valittu pi‐<br />
toisuus voi johtaa ei‐toivottuun rakentee<strong>se</strong>en. Myöskään mangaanilla ei saa yrittää korjata<br />
kohtuuttoman korkeita rikkipitoisuuksia, sillä muodostuvat mangaanisulfidit pyrkivät nou‐<br />
<strong>se</strong>maan valukappaleiden yläpinnalle.<br />
− Kromin stabiloimat karbidit ovat kestäviä myös korkeissa lämpötiloissa, mistä johtuen kro‐<br />
mia sisältävä valkeaksi jähmettynyt rauta ei ole hehkutuk<strong>se</strong>lla pehmennettävissä.<br />
− Alumiini lisää suuresti vedyn liukoisuutta sulaan rautaan ja siten kaasuhuokoisuuden vaa‐<br />
raa raudan tullessa kosketuk<strong>se</strong>en kostean valuastian tai kaavaushiekan kanssa.<br />
− Boori on erittäin voimakkaasti karbidoiva alkuaine, joka helposti lisää särmäkovuuden vaa‐<br />
raa.<br />
− Tina vaikuttaa jo erittäin pieninä määrinä voimakkaasti perlitoivasti. Suurien tinapitoisuuk‐<br />
sien vaikutus on haitallinen.<br />
− Jollakin alkuaineella saattaa olla edullisia vaikutuksia rakentee<strong>se</strong>en yksinään, mutta yhdes‐<br />
sä jonkin toi<strong>se</strong>n alkuaineen kanssa vaikutus voi muuttua haitalli<strong>se</strong>ksi, kuten yhdistelmällä<br />
molybdeeni+fosfori. Molybdeenia on käytettävä vain niukkafosforisissa valuraudoissa,<br />
koska <strong>se</strong> suotautuu steadiittiin lisäten imuhuokoisuuden vaaraa.<br />
Kuva 22. Suositeltu maksimi mangaanipitoisuus<br />
(pro<strong>se</strong>ntteina) piipitoisuuden ja <strong>se</strong>inämänpaksuuden<br />
funktiona, kun halutaan tehdä harmaata valurautaa.<br />
Allaolevassa taulukossa on esitetty ohjeellisia enimmäispitoisuuksia, kun valuraudoista halutaan<br />
tehdä harmaita. Taulukossa esiintyvät alkuaineet ovat kaikki voimakkaita karbidin muodostajia ja<br />
stabiloijia.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 31
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Taulukko 3. Eräiden alkuaineiden ohjeelli<strong>se</strong>t enimmäispitoisuudet harmaille valuraudoille<br />
Harmaiden valurautojen haitta‐aineet Ohjeellisia enimmäispitoisuuksia (%)<br />
Boori (B)<br />
Telluuri (Te)<br />
Mangaani (Mn)<br />
Molybdeeni (Mo)<br />
Kromi (Cr)<br />
Vanadiini (V)<br />
0,002<br />
0,003<br />
*<br />
0,01‐0,75**<br />
* Kuva 22; ** suuremmat pitoisuudet ovat bainiittisia pallografiittivalurautoja varten<br />
0,05<br />
0,03<br />
Ferriitti<strong>se</strong>ksi lämpökäsiteltävälle pallografiittivaluraudalle suositeltavat karbidoivien ja perlitoivien<br />
alkuaineiden enimmäispitoisuudet.<br />
Taulukko 4. Karbidoivien ja perlitoivien alkuaineiden enimmäispitoisuudet pallografiittiraudoille<br />
Alkuaineet Enimmäispitoisuuksia (%)<br />
Boori (B)<br />
Tina (Sn)<br />
Ar<strong>se</strong>eni (As)<br />
Vanadiini (V)<br />
Kromi (Cr)<br />
Kupari (Cu)<br />
Nikkeli (Ni)<br />
0,001<br />
0,02<br />
0,025<br />
0,05<br />
0,07<br />
0,5<br />
1,0<br />
Allaolevaan taulukkoon on kerätty palloutumista häirit<strong>se</strong>viä aineita. Pallografiitin muodostumista<br />
voi häiritä myös liian korkea tai matala Mg‐pitoisuus, korkea rikkipitoisuus ja karbidoivat <strong>se</strong>osai‐<br />
neet.<br />
Taulukko 5. Palloutumista häirit<strong>se</strong>vät aineet<br />
Palloutumista häirit<strong>se</strong>vät aineet Ohjeellisia enimmäispitoisuuksia (%)<br />
Lyijy (Pb)<br />
Vismutti (Bi)<br />
Antimoni (Sb)<br />
Telluuri (Te)<br />
Seleeni (Se)<br />
Titaani (Ti)<br />
Alumiini (Al)<br />
Ar<strong>se</strong>eni (As)<br />
0,002<br />
0,002<br />
0,002<br />
0,03<br />
0,03<br />
0,05<br />
0,05<br />
0,09<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 32
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Valmistettaessa tylppägrafiittivalurautaa, joka edustaa grafiitin muodon kannalta suomu‐ ja pallo‐<br />
grafiittivaluraudan eräänlaista välimuotoa, tulee pallouttavien aineiden ja palloutusta häirit<strong>se</strong>vien<br />
aineiden määräsuhteiden olla erityi<strong>se</strong>n tarkasti kontrollissa.<br />
Eräät alkuaineet voivat joissakin olosuhteista edistää ʺChunkʺ‐grafiitin esiintymistä. Näitä ovat:<br />
cerium (Ce), kalsium (Ca), pii (Si) ja nikkeli (Ni). ʺIntercellular flakeʺ‐grafiitin syntymistä edistävät:<br />
vismutti (Bi), lyijy (Pb), antimoni (Sb), ar<strong>se</strong>eni (As), kadmium (Cd), alumiini (Al), tina (Sn) ja kupari<br />
(Cu).<br />
Fosfori. Tavoitteesta riippuen voi fosfori olla valuraudassa joko epäpuhtautena tai <strong>se</strong>osaineena.<br />
Sen käyttö perustuu u<strong>se</strong>in myös taloudellisiin näkökohtiin, sillä fosforiharkkoraudat ovat halvem‐<br />
pia kuin hematiittiharkkoraudat, ja jos tietty fosforipitoisuus on sallittu, ovat myös romun<br />
käyttömahdollisuudet väljemmät. Rasitettu konerakennevalu tehdään yleensä hematiittiharkkoa ja<br />
teräsromua käsittävistä panoksista. Fosforipitoisuus on tavalli<strong>se</strong>sti silloin enintään 0,15 % P, mutta<br />
u<strong>se</strong>immiten alle 0,10 % P. Sylinterivalussa ja vastaavassa sallitaan noin 0,25 % P. Kevyesti rasitetus‐<br />
sa konerakennevalussa ja kauppavalutavarassa voi pitoisuus olla 0,70 % P saakka. Suurempiin<br />
pitoisuuksiin ei olosuhteissamme ole mitään aihetta pyrkiä. Maissa, joissa tavataan pääasialli<strong>se</strong>sti<br />
vain fosforirikkaita malmeja ja hematiittiharkkorauta on tuontitavaraa, nou<strong>se</strong>e fosforipitoisuus<br />
eräissä tuotteissa jopa 1,2 % P saakka.<br />
Pallografiittivaluraudoissa fosforipitoisuus rajoitetaan iskusitkeyttä vaativissa kohteissa 0,05%:iin ja<br />
muissa kohteissa yleensä alle 0,1%:n, fosforin iskusitkeyttä ja venymää alentavan vaikutuk<strong>se</strong>n<br />
johdosta.<br />
Fosfori edistää valuraudan jähmettymistä harmaana kuten pii. Fosfori parantaa valuraudan juok<strong>se</strong>‐<br />
vuutta, mutta heikentää <strong>se</strong>n sitkeyttä. Sitä käytetään <strong>se</strong>ostamattomien ohut<strong>se</strong>inäisten rautojen<br />
valuun. Valuraudan murtolujuus nou<strong>se</strong>e noin 0,35 %:n fosforipitoisuuteen asti.<br />
Valuraudassa fosfori muodostaa raudan ja rautakarbidin kanssa ternääri<strong>se</strong>n eutektikumin, steadii‐<br />
tin. Steadiitti parantaa raudan korroosionkestävyyttä. Steadiitti on kovaa ja kulutusta kestävää,<br />
mutta haurasta rakenneosaa. Raerakenteen kova steadiittiverkosto muodostaa hyvän kantavan<br />
pinnan voideltuihin liukupintoihin, ja grafiittisuomut edistävät voitelukalvon pysyvyyttä. Tiettyä<br />
fosforipitoisuutta pidetään <strong>tästä</strong> syystä edulli<strong>se</strong>na sylinterilaakeri‐ ja luistipintoja käsittävässä<br />
valussa. Steadiitin verkkomainen asu rakenteessa vaikuttaa, että <strong>se</strong> ei työstössä aiheuta varsinaisia<br />
esteitä leikkaami<strong>se</strong>lle, mutta steadiitin suuri kovuus 400‐600 HB lisää kuitenkin terän kulumista ja<br />
lyhentää teroitusvälejä.<br />
Steadiitin alhainen sulamispiste tekee siitä kuitenkin kuumahauraan. Viimeksi sulana, herkkäliik‐<br />
kei<strong>se</strong>nä ainek<strong>se</strong>na fosforieutekti johtaa helposti kutistumahuokoisuuteen valukappaleen viimei<strong>se</strong>ksi<br />
jähmettymissä osissa vaikeuttaen siten painetiiviin valun valmistusta varsinkin vaihtelevin <strong>se</strong>inä‐<br />
mänpaksuuksin. Tästä syystä mm. moottorisylinteriryhmien valussa rajoitetaan fosforipitoisuus<br />
enimmäisarvoon 0,25 % P. Mikäli fosforin ohella on läsnä myös molybdeenia, sijoittuu tämä myös<br />
steadiittiin lisäten huokoisuusvaaraa. Molybdeenia sisältävän kiertoromun joutumista fosforia<br />
sisältäviin rautalaatuihin on varottava.<br />
Rikki. Rikki aiheuttaa kuumahaurautta, eikä sitä käytetä normaalisti <strong>se</strong>osaineena. Hyvin koneistet‐<br />
tavissa laaduissa voidaan <strong>se</strong>ostaa kontrolloidusti rikkiä, joka edistää lastujen katkeamista.<br />
Suomugrafiittivaluraudoissa rikkipitoisuus rajoitetaan noin 0,1 %:iin. Pallografiittivaluraudoissa<br />
rikkipitoisuus rajoitetaan 0,01 %:iin, koska rikki haittaa palloutumista sitoutuessaan magnesiumiin.<br />
Typpi. Typpi on rautaan runsaasti liukeneva alkuaine. Sitä voi liueta sulaan valurautaan n. 400<br />
ppm. Valuraudan typpipitoisuus on tyypilli<strong>se</strong>sti 10–150 ppm. Jo 100 ppm:n typpipitoisuus voi<br />
aiheuttaa kaasuhuokoisuutta. Typpeä voi liueta ilmakehästä, muottien sideaineista, ferro<strong>se</strong>oksista<br />
<strong>se</strong>kä hiiletysaineista (erityi<strong>se</strong>sti petrolikoksista). Varsinkin verkkotaajuusuunien voimakas <strong>se</strong>koitus<br />
mahdollistaa typen liukenemi<strong>se</strong>n rautaan ilmasta. Kaasuhuoko<strong>se</strong>t syntyvät u<strong>se</strong>in typen, vedyn ja<br />
hapen yhteisvaikutuk<strong>se</strong>sta. Alumiini ja vielä tehokkaammin titaani sitovat raudassa olevaa typpeä<br />
nitrideiksi.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 33
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Typpeä voidaan myös <strong>se</strong>ostaa suomugrafiittivalurauto‐<br />
jen pehmeisiin laatuihin lisäämään lujuutta. Lujuuden<br />
kasvu perustuu grafiitin muodon parantami<strong>se</strong>en.<br />
Kuva 23. Hiilen, piin ja eräiden <strong>se</strong>osaineiden vaikutus<br />
typen liukoisuuteen rautaan 1600 °C:een lämpötilassa ja 1<br />
bar:n paineessa.<br />
Vety. Vedyn liukoisuus on vähäi<strong>se</strong>mpää kuin typen. Sulassa valuraudassa sitä voi olla korkeintaan<br />
20–30 ppm. Mutta jos halutaan olla varmoja, ettei vety aiheuta valuvikoja, <strong>se</strong>n pitoisuus ei saisi<br />
ylittää 0,8–1,8 ppm. Vetyä voi tulla valurautoihin kosteista <strong>se</strong>osaineista, vuorausmassoista, huonosti<br />
kuivatuista valu<strong>se</strong>nkoista ja muottimateriaaleista. Valuraudan runsaat hiili‐ ja piipitoisuudet alen‐<br />
tavat vedyn liukoisuutta siten, ettei merkitys ole yhtä suuri kuin valuterästen metallurgiassa.<br />
Epäedullisissa olosuhteissa, kuten alumiinin, mangaanin tai magnesiumin läsnäollessa ja kosteaan<br />
muottiin valettaessa voi sitä kuitenkin liueta siinä määrin, että valukappaleisiin syntyy kapillaari‐<br />
huokosia tai ne ovat kauttaaltaan kaasuhuokoisia.<br />
Kaasujen yhteisvaikutus voi aiheuttaa kapillaarihuokosia, vaikka yhtäkään kaasulajia yksin ei olisi<br />
liian paljon. Alumiinin läsnäolo lisää herkästi vedyn liukenemista valurautaan, sillä alumiini reagoi<br />
helposti veden kanssa vapauttaen vetyä, joka liukenee rautaan. Jo 0,05 % alumiinipitoisuus voi olla<br />
vaarallinen.<br />
Perussyy kaasuhuokosten syntyyn on rautaan liuenneen hapen reagointi hiilen kanssa, sillä tämä<br />
reaktio synnyttää hiilimonoksidia. Jos CO‐kuplat eivät pää<strong>se</strong> erottumaan jähmettyvästä sulasta,<br />
synnyttävät ne huokosia, joihin vety ja typpi voivat diffundoitua ja lisätä näin huokoisuutta. Jos<br />
CO‐kuplia ei synny, jäävät muiden kaasujen vaikutuk<strong>se</strong>t u<strong>se</strong>in pieniksi.<br />
Lyijy. Lyijy aiheuttaa haitallista grafiitin muotoa. Epäedullisissa tapauksissa 0,001 % Pb voi olla<br />
riittävä virheelli<strong>se</strong>n grafiitin muodostuk<strong>se</strong>lle. Lyijy on myös lujuutta pienentävä ‐ vetolujuus voi<br />
laskea puoleen jopa n. 0,004 % pitoisuudella. Sen esiintymistä romussa on erityi<strong>se</strong>sti pidettävä<br />
silmällä. Tavallisimmin lyijy kulkeutuukin valimoon juuri romun mukana laakerimetalleissa, juo‐<br />
tosmetalleissa, lyijytetyistä putkista ja levyistä ja emalista.<br />
Antimoni. Antimoni on raudan lujuudelle vaarallinen epäpuhtaus. Laakerimetallit ja emali ovat <strong>se</strong>n<br />
tavallisimmat lähteet.<br />
Ar<strong>se</strong>eni. Ar<strong>se</strong>eni on vaikutuksiltaan samankaltainen kuin antimoni.<br />
Vismutti. Vismutti voi aiheuttaa valkoisuus vaaran lisääntymistä ja virheelli<strong>se</strong>n grafiittirakenteen,<br />
joka vähentää lujuusominaisuuksia. Vismutti voi joutua rautaan romussa olevista laakeri‐ ja juo‐<br />
tosmetalleista.<br />
Telluuri. Telluuri on äärimmäi<strong>se</strong>n voimakas karbidoija. Rauta, jonka hiilipitoisuus on n. 3,0 % ja<br />
piipitoisuus 1,3 % voidaan saada jähmettymään valkeaksi 0,005 % suurui<strong>se</strong>lla telluurilisäyk<strong>se</strong>llä.<br />
Telluuri ei kuitenkaan käytetä, koska sillä on tuhoisa vaikutus suomugrafiittivaluraudan lu‐<br />
juusominaisuuksiin. Jo pienetkin telluurilisäyk<strong>se</strong>t voivat aiheuttaa epäedulli<strong>se</strong>n grafiittimuodon,<br />
joka voi raskaissa kappaleissa pudottaa valuraudan lujuuden muutamaan kymmeneen n/mm2<br />
saakka.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 34
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Alkuaineiden normaalipitoisuudet ja vaikutuk<strong>se</strong>t valuraudoissa<br />
Allaolevassa taulukossa on koottuna alkuaineiden ʺnormaalitʺ pitoisuudet valuraudoissa. Näiden<br />
lisäksi on joukko erikoisvalurautoja, joiden erikoisominaisuus saadaan aikaan tietyn alkuai‐<br />
neen/tiettyjen alkuaineiden suuremmilla pitoisuuksilla. Näitä ei ole huomioitu ko. taulukossa.<br />
Taulukko 6. Alkuaineiden normaalipitoisuudet valuraudoissa.<br />
Alkuaine Normaalipitoisuus<br />
(%)<br />
Vaikutus valuraudoissa Lähde<br />
alumiini Al
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
fosfori P
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
pii Si 0,8–4,0 Grafitoi, vähentää valkoi<strong>se</strong>na<br />
jähmettymi<strong>se</strong>n vaaraa, stabiloi<br />
ferriittiä ja parantaa valettavuut‐<br />
ta.<br />
rikki S
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
vety H
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Mangaani (Mn). Kaikki teräk<strong>se</strong>t sisältävät<br />
mangaania, valuteräk<strong>se</strong>t tavalli<strong>se</strong>sti 0,4–0,8 %.<br />
Mn tiivistää terästä, mutta ei yksin tee teräk<strong>se</strong>stä<br />
tiivistettyä. Sen vaikutusta on täydennettävä<br />
piillä ja u<strong>se</strong>in myös alumiinilla. Seosaineena<br />
mangaani on halpa. Se lisää teräk<strong>se</strong>n lujuutta<br />
pienentämättä mainittavasti sitkeyttä. Mangaani<br />
lujittaa myös voimakkaasti ferriittiä. Mangaani<br />
on eräs niistä <strong>se</strong>osaineista, jotka tehokkaimmin<br />
alentavat teräk<strong>se</strong>n transitiolämpötilaa.<br />
Mangaanin tärkein tehtävä hiiliteräksissä on<br />
eliminoida rikin aiheuttama kuumahauraus,<br />
sitomalla rikki mangaanisulfidiksi, jonka sula‐<br />
mispiste on 1610 ºC. Raudan kanssa rautasulfidi<br />
muodostaa eutektikumin, jonka sulamispiste on<br />
vain 985 ºC. Valukappaleissa tämä ilmenee<br />
alttiutena kuumarepeämiin kappaleen jähmet‐<br />
tyessä ja jäähtyessä muotissa <strong>se</strong>kä myös<br />
hitsauk<strong>se</strong>n yhteydessä.<br />
Mangaani siirtää eutektoidista pistettä jonkin<br />
verran pienempään hiilipitoisuuteen päin (Kuva<br />
24), mahdollistaen täysin perliitti<strong>se</strong>n rakenteen<br />
pienemmillä hiilipitoisuuksilla. Mangaanin<br />
vaikutuk<strong>se</strong>sta perliitti kiteytyy hienojakoi<strong>se</strong>na ja<br />
<strong>se</strong>n lujuus kasvaa.<br />
Kuva 24. Eri <strong>se</strong>osaineiden vaikutus terästen eutektoidi<strong>se</strong>n pisteen sijaintiin.<br />
Mangaanin vaikutus teräk<strong>se</strong>n karkenevuuteen on hyvin voimakas. Kuva 25 esittää kertoimien<br />
muodossa, miten eri <strong>se</strong>osaineet vaikuttavat teräk<strong>se</strong>n karkenemissyvyyteen. Karkenemiskerroin<br />
ilmoittaa, miten paljon kriittinen läpimitta kasvaa <strong>se</strong>osaineen pitoisuuden mukaan. Mangaanin<br />
karkenevuutta lisäävää vaikutusta käytetään hyväksi muutamissa nuorrutusteräksissä, jotka sisäl‐<br />
tävät 1,0–1,5 % Mn. Mangaani on heikko karbidinmuodostaja, joten karkaistavissa teräksissä hiili<br />
saadaan tehokkaasti martensiittiin mangaani<strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>sta huolimatta. Eri <strong>se</strong>osaineiden tehokkuus<br />
karbidinmuodostajina suurenee <strong>se</strong>uraavassa järjestyk<strong>se</strong>ssä: Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti. Mangaani on<br />
siis sarjan heikoin. Mangaani<strong>se</strong>osteisilla nuorrutusteräksillä on kuitenkin voimakas taipumus<br />
päästöhaurauteen, jolla tarkoitetaan sitkeyden huonontumista hitaassa jäähdytyk<strong>se</strong>ssä päästön<br />
jälkeen. Haitta voidaan torjua sammuttamalla kappaleet päästölämpötilasta veteen tai <strong>se</strong>ostamalla<br />
teräk<strong>se</strong>en 0,2–0,3 % molybdeeniä. Mangaani<strong>se</strong>ostei<strong>se</strong>t teräk<strong>se</strong>t ovat myös herkkiä ylikuumennuk<strong>se</strong>l‐<br />
le. Austeniittirakeet pyrkivät karkaisuhehkutuk<strong>se</strong>ssa kasvamaan suuriksi, jolloin martensiitista<br />
tulee haurasta. On syytä välttää pitkiä hehkutuksia ja korkeita lämpötiloja tai estää austeniittirakeit‐<br />
ten kasvu noin 0,1 % vanadiinilisäyk<strong>se</strong>llä.<br />
Suurilla mangaanipitoisuuksilla, 10–14 %, teräs muuttuu austeniitti<strong>se</strong>ksi. Sammutettaessa veteen<br />
austenointihehkutuk<strong>se</strong>n jälkeen ei synny martensiittia, koska Ms‐lämpötila on huoneenlämpötilan<br />
alapuolella. Kulutusta kestävä Mn‐teräs on muokkauslujittuvaa. Austeniittinen mangaaniteräs on<br />
kulumiskestävistä teräksistä tunnetuin.<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 39
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
Kuva 25. Eri <strong>se</strong>osaineiden karkenevuuskerto‐<br />
imia.<br />
Kromi (Cr). Lähes kaikki valuteräk<strong>se</strong>t sisältävät pieniä määriä kromia epäpuhtautena. Monet stan‐<br />
dardit määräävät kromin sallituksi enimmäispitoisuudeksi <strong>se</strong>ostamattomissa teräksissä 0,3 %.<br />
Kromia poistuu sulatuk<strong>se</strong>n aikana aina jonkin verran kuonaan, joten <strong>se</strong> ei rikastu sillä tavoin kierto‐<br />
romuun kuin nikkeli tai kupari. Toisaalta kromi on hyvin yleinen <strong>se</strong>osaine, minkä vuoksi<br />
kromitonta terästä on romusta lähtien vaikeaa valmistaa.<br />
Nuorrutusteräksissä kromi on yleisin <strong>se</strong>osaine. Kromi on jonkin verran kalliimpi <strong>se</strong>osaine kuin<br />
mangaani. Se lisää voimakkaasti teräk<strong>se</strong>n karkenevuutta (Kuva 24) ja sitä käytetään nuorrutuste‐<br />
räksissä aina 5 %:iin asti. Pelkästään kromilla <strong>se</strong>ostetut nuorrutusteräk<strong>se</strong>t ovat päästöhaurauteen<br />
taipuvia, kuten mangaani<strong>se</strong>ostei<strong>se</strong>tkin. Tästä syystä 0,2–0,3 % Mo sisältävät kromimolybdeeniteräk‐<br />
<strong>se</strong>t ovat suosituimpia.<br />
Kromi on kohtalai<strong>se</strong>n voimakas karbidinmuodostaja, minkä vuoksi kromi<strong>se</strong>ostei<strong>se</strong>t teräk<strong>se</strong>t eivät<br />
ole ylikuumennusherkkiä. Kromikarbidit liukenevat hitaasti estäen austeniittirakeitten kasvua.<br />
Kromia käytetään kuulalaakeri‐ ja työkaluteräksissä lisäämään kulumiskestävyyttä. Kromi parantaa<br />
teräk<strong>se</strong>n syöpymiskestävyyttä ja tulenkestävyyttä. Kromi muodostaa teräk<strong>se</strong>n pintaan tiiviin oksi‐<br />
dikalvon, joka suojaa enemmältä syöpymi<strong>se</strong>ltä tai hapettumi<strong>se</strong>lta. Teräksiä, joissa on yli 10,5 %<br />
kromia, sanotaan ruostumattomiksi. Syöpymiskestävien terästen kromipitoisuudet vaihtelevat 12–<br />
30 % ja tulenkestävien terästen 6‐30 %. Kromi parantaa terästen päästönkestävyyttä, mikä on nuor‐<br />
rutusteräksissä eduksi. Samalla <strong>se</strong> lisää teräk<strong>se</strong>n kuumalujuutta. U<strong>se</strong>immat kuumalujat valuteräk<strong>se</strong>t<br />
sisältävät kromia 1‐1,5 %, eräät vielä kuumalujiin teräksiin luettavat laadut jopa 11–12 %.<br />
Kahden pro<strong>se</strong>ntin kromi<strong>se</strong>ostus leventää puuroaluetta 40<br />
ºC:sta 70 ºC:een hiilipitoisuuden ollessa 0,3 %, mikä lisää<br />
kuumahauraustaipumusta ja valuterästen syöttövaikeuk‐<br />
sia. Yli 15 % Cr sisältävät kromiteräk<strong>se</strong>t eivät ole<br />
karkaistavia niukkahiilisinä ja yli 20 % Cr sisältävät ovat<br />
ferriittisiä kaikilla hiilipitoisuuksilla, sillä austeniittialue<br />
häviää kokonaan (Kuva 26). Näiden terästen sitkeys on<br />
huono ja hitsaus vaikeaa.<br />
Kuva 26. Kromipitoisuuden vaikutus austeniittialueen<br />
suuruuteen.<br />
Nikkeli (Ni). Nikkeli on sangen kallis <strong>se</strong>osaine. Se parantaa lievästi terästen karkenevuutta ja lisää<br />
sitkeyttä <strong>se</strong>kä alhaisissa (= alentaa transitiolämpötilaa) että korkeissa lämpötiloissa. Nikkeli paran‐<br />
taa teräk<strong>se</strong>n syöpymiskestävyyttä etenkin pelkistävissä olosuhteissa. Tunnetuin ruostumaton<br />
terästyyppi on 18/8, joka sisältää 18 % kromia ja 8 % nikkeliä. Tämä teräs on austeniittinen, mikä<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 40
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
johtuu nikkelin Ms‐lämpötilaa alentavasta vaikutuk<strong>se</strong>sta. Tästä terästyypistä on u<strong>se</strong>ita muunnoksia,<br />
jotka sisältävät nikkeliä 5‐13 %. Eräissä austeniittisissa haponkestävissä teräksissä nikkelipitoisuus<br />
kohoaa jopa 30 % saakka. Erittäin vaikeissa syövytysolosuhteissa käytetään nikkelipohjaisia super‐<br />
<strong>se</strong>oksia. Tällaisista mainittakoon hastelloy‐<strong>se</strong>ok<strong>se</strong>t, jotka sisältävät 35–65 % nikkeliä.<br />
Ns. Maraging‐teräk<strong>se</strong>t sisältävät nikkeliä 18 %, 10 % Co, 5 % Mo, 0,4 % Ti ja 0,03 % C. Teräk<strong>se</strong>lle<br />
saadaan erkaumakarkaisulla erittäin hyvät lujuus‐ ja sitkeysominaisuudet: murtolujuus 1700<br />
N/mm 2 , myötöraja 1600 N/mm 2 , venymä 5,5 % ja iskusitkeys 15 J.<br />
Nikkeli parantaa teräk<strong>se</strong>n tulenkestävyyttä. Myös tulenkestävissä teräksissä kromi ja nikkeli esiin‐<br />
tyvät yhdessä. Nikkelipitoisuudet vaihtelevat 4‐40 %.<br />
Koboltti (Co). Koboltti on nikkelin kaltainen metalli, jota käytetään muutamissa jaloteräksissä <strong>se</strong>kä<br />
kuten edellä mainittiin Maraging‐teräksissä.<br />
Alumiini (Al). Alumiini on vahva deoksidointiaine. Alumiinin taipumus happeen on sangen voi‐<br />
makas, minkä vuoksi <strong>se</strong> lisätään vasta <strong>se</strong>nkkaan tai valusuihkuun. Sitä käytetään valuteräksissä<br />
säännölli<strong>se</strong>sti noin 1‐2 kiloa terästonnia kohti tiivistyk<strong>se</strong>en.<br />
Alumiini sitoo tehokkaasti teräk<strong>se</strong>ssä olevan typen, estäen vanhenemi<strong>se</strong>n, jolla tarkoitetaan sitkeys‐<br />
ominaisuuksien huonontumista typen diffuusion vaikutuk<strong>se</strong>sta. Lisäksi alumiinin sitoessa typpi<br />
nitrideiksi <strong>se</strong> estää rakeenkasvua korkeissa lämpötiloissa samaan tapaan kuin vaikeasti liukenevat<br />
karbidit. Jos typpipitoisuus on suuri, voivat AlN‐erkaumat erkautua raerajoille haurastuttaen<br />
terästä. Ilmiö voidaan välttää sitomalla typpi titaanilla tai zirkoniumilla, joiden nitridit eivät erkau‐<br />
du raerajoille.<br />
Pintakarkaisuteräksinä käytettävät typetysteräk<strong>se</strong>t sisältävät alumiinia tavalli<strong>se</strong>sti 1 %. Eräissä<br />
tulenkestävissä teräksissä käytetään alumiinia <strong>se</strong>osaineena, koska <strong>se</strong> edistää oksidikerrok<strong>se</strong>n pysy‐<br />
vyyttä teräk<strong>se</strong>n pinnassa.<br />
Kalsium (Ca). Kalsium ei ole varsinai<strong>se</strong>sti <strong>se</strong>osaine. Teräsvaluissa sitä käytetään sulkeumien modi‐<br />
fiointiin injektiomenetelmällä (Asiasta kerrottu kappaleessa rautametallien sulametallurgia) ja myös<br />
valuteräk<strong>se</strong>n pelkistysaineena.<br />
Molybdeeni (Mo). Molybdeeni on karbidinmuodostaja, joka hienontaa teräk<strong>se</strong>n raerakennetta.<br />
Suurin merkitys molybdeenillä on kuitenkin päästöhaurauden poistajana. Siksi <strong>se</strong> on yleinen <strong>se</strong>os‐<br />
aine hiiletys‐ ja nuorrutusteräksissä 0,2 %:n pitoisuuksilla yhdessä kromin, nikkelin ja mangaanin<br />
kanssa. Molybdeenin ansiosta teräk<strong>se</strong>n päästönkestävyys paranee huomattavasti. Tähän ominai‐<br />
suuteen liittyy lähei<strong>se</strong>sti molybdeenin kuumalujuutta lisäävä vaikutus. Kuumalujissa teräksissä,<br />
joiden käyttölämpötila on 400–500 ºC, molybdeeni parantaa 0,5 %:n <strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>lla yhdessä kromin<br />
kanssa myötö‐ ja virumislujuutta. Austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä molybdeeni lisää 2,5<br />
%:n <strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>lla syöpymiskestävyyttä pelkistävissäkin olosuhteissa. Sitä lisätään korkeasta hinnas‐<br />
taan huolimatta 1,5‐3 % haponkestäviin teräksiin.<br />
Molybdeeni parantaa karkenevuutta lähes yhtä tehokkaasti kuin mangaani, mutta sitä käytetään<br />
harvoin vain tämän ominaisuuden tähden, koska <strong>se</strong> on erittäin kallis <strong>se</strong>osaine.<br />
Volframi (W). Volframi on voimakas karbidinmuodostaja ja vaikuttaa sitä kautta mm. kovuuteen ja<br />
päästönkestävyyteen. Volframi onkin erinomainen <strong>se</strong>osaine esim. monissa pika‐ ja työkaluteräksis‐<br />
sä <strong>se</strong>kä kuumalujissa ja tulenkestävissä teräksissä.<br />
Vanadiini (V). Vanadiini on voimakas karbidin muodostaja. Vanadiinikarbidit estävät rakeenkas‐<br />
vua korkeissa käyttölämpötiloissa. Sen kovia karbideja käytetään työkaluteräksissä myös<br />
parantamaan kulumiskestävyyttä. Se lisää myös karkenevuutta jopa mangaania voimakkaammin,<br />
kunhan vanadiinikarbidit liuotetaan austeniittiin.<br />
Vanadiinia lisätään yleisiin rakenneteräksiin 0,05–0,15 % etenkin silloin, kun valetaan vaativia<br />
paksu<strong>se</strong>inäisiä kappaleita tai halutaan suuria lujuuksia teräksille, joiden hitsattavuuden on oltava<br />
hyvä. Vanadiini parantaa terästen kuumalujuutta. Pienet pitoisuudet, 0,20–0,35 % ovat tässäkin<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 41
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
käyttötarkoituk<strong>se</strong>ssa riittäviä. Vanadiinin taipumus happeen on suuri, minkä vuoksi <strong>se</strong> on lisättävä<br />
riittävästi pelkistettyyn teräk<strong>se</strong>en.<br />
Titaani, niobi ja tantaali (Ti, Nb ja Ta). Titaani, niobi ja tantaali ovat kaikki erittäin voimakkaita<br />
karbidinmuodostajia. Niitä käytetään eräissä teräksissä alle 0,5 % pitoisuuksin rakeenkasvun estä‐<br />
mi<strong>se</strong>en. Sitomalla typpeä ne laskevat teräk<strong>se</strong>n transitiolämpötilaa. Samalla ne tekevät teräk<strong>se</strong>n<br />
vanhenemattomaksi. Ruostumattomissa teräksissä ne eliminoivat hiilen haitalli<strong>se</strong>n vaikutuk<strong>se</strong>n, ns.<br />
herkistymisilmiön, mikä tarkoittaa korroosionkeston heikkenemistä 450–900 ºC:ssa, kun austeniitin<br />
raerajoille erkautuu kromikarbideja.<br />
Titaani siirtää eutektoidista pistettä nopeasti pienempään hiilipitoisuuteen päin. Sen vuoksi sitä<br />
käytetään myös erittäin lujassa hitsattavissa teräksissä.<br />
Boori ja zirkonium (B ja Zr). Eräissä erittäin lujissa rakenneteräksissä esiintyy booria. Boorin kar‐<br />
kenevuutta lisäävä vaikutus on tavattoman voimakas. Käytettävät pitoisuudet ovat<br />
tuhannesosapro<strong>se</strong>ntin luokkaa, mikä vaikeuttaa <strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>n hallintaa ja analysointia.<br />
Zirkoni on voimakas karbidinmuodostaja, jota käytetään raerakenteen hienontami<strong>se</strong>en samaan<br />
tapaan kuin alumiinia, titaania, niobia ja vanadiinia. Se sitoo myös typpeä ja parantaa sitkeyttä. Sen<br />
avulla saavutetaan bainiittinen raerakenne hitaassakin jäähdytyk<strong>se</strong>ssä.<br />
Haitalli<strong>se</strong>t aineet valuteräksissä<br />
Peruskoostumuk<strong>se</strong>ltaan teräs on rauta‐hiili‐<strong>se</strong>os. Muita alkuaineita teräk<strong>se</strong>en on kuitenkin saatettu<br />
joko tarkoituk<strong>se</strong>lli<strong>se</strong>sti (<strong>se</strong>osaineet, käsittelyaineet) tai tarkoituk<strong>se</strong>tta (epäpuhtaudet). Samoja alku‐<br />
aineita voidaan eri tapauksissa hyödyntää tarkoituk<strong>se</strong>llisina tai toi<strong>se</strong>ssa tapauk<strong>se</strong>ssa ne voidaan<br />
katsoa epäpuhtauksiksi. Teräk<strong>se</strong>n valmistuspro<strong>se</strong>ssin aikana siinä voi myös esiintyä aineita, joita ei<br />
kuitenkaan haluta lopputuottee<strong>se</strong>en. Haitallisia aineita voi teräk<strong>se</strong>en joutua esimerkiksi raaka‐<br />
aineista, käsittelyaineista, uunien vuorauksista tai atmosfääristä.<br />
Aineen haitallisuus teräk<strong>se</strong>ssä onkin siten suhteellinen käsite. Haitalli<strong>se</strong>ksi <strong>se</strong>osaineen voi erityi<strong>se</strong>sti<br />
tehdä <strong>se</strong>n epäedullinen vaikutus teräk<strong>se</strong>n valmistuspro<strong>se</strong>ssiin, lopullisiin ominaisuuksiin tai käsitel‐<br />
tävyyteen. Esimerkiksi aineet, jotka haurastuttavat terästä tai tekevät teräk<strong>se</strong>n valami<strong>se</strong>n,<br />
muokaami<strong>se</strong>n tai hitsaami<strong>se</strong>n vaikeaksi, voivat olla tietyltä teräk<strong>se</strong>ltä vaadittujen ominaisuuksien<br />
suhteen ratkai<strong>se</strong>van haitallisia. Kuitenkin eri teräslaaduilla, jotka on tarkoitettu eri käyttöön, kunkin<br />
alkuaineen haitallisuus voi painottua täysin eri tavoin.<br />
Alkuaineiden haitallisia vaikutuksia teräk<strong>se</strong>ssä voivat olla mm.:<br />
− Hauraus (muodonmuutoskyvyn ja sitkeyden heikentyminen) ja erilai<strong>se</strong>t halkeiluilmiöt<br />
(esim. kuumahauraus, kylmähalkeilu) <strong>se</strong>kä muokattavuuden heikkeneminen<br />
− Kaasuhuoko<strong>se</strong>t ja imuvirheet (valussa)<br />
− Suotautumat ja sulkeumat<br />
− Ei‐toivotut vaikutuk<strong>se</strong>t käyttäytymi<strong>se</strong>en lämpökäsittelyissä<br />
− Herkistyminen<br />
− Korroosio‐ominaisuuksien heikkeneminen<br />
Terästen epäpuhtauspitoisuuksien hallinnasta on kerrottu luvussa ʺRautametallien sulametallurgiaʺ<br />
hiilen, vedyn, typen, rikin, hapen ja kuonapuhtauden osalta.<br />
Rikki ja fosfori. Rikki aiheuttaa teräk<strong>se</strong>en kuumahaurautta. Vaativissa teräksissä rikkipitoisuus<br />
rajoitetaan alle 0,003 %:n. Rikkiä on käytetty hyödyksi hyvin koneistettavissa automaattiteräksissä,<br />
joissa sulfidisulkeumat katkovat koneistuslastuja. Fosfori liukenee teräk<strong>se</strong>ssä ferriittiin lisäten <strong>se</strong>n<br />
lujuutta, mutta huonontaen sitkeyttä etenkin matalissa lämpötiloissa. Fosfori tekee teräk<strong>se</strong>n kylmä‐<br />
hauraaksi, ja nostaa transitiolämpötilaa. U<strong>se</strong>impien terästen fosforipitoisuus rajoitetaan 0,01–0,05<br />
%:n välille. Sulatettaessa terästä emäksi<strong>se</strong>ssä valokaariuunissa voidaan panok<strong>se</strong>n fosforipitoisuutta<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 42
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
pienentää sitomalla fosforia kuonaan ja poistamalla uunista. Induktiouuneissa ei tällai<strong>se</strong>n kuonakä‐<br />
sittelyn suoritus ole mahdollista. Fosfori ja rikki suotautuvat voimakkaasti. Paksuissa<br />
valukappaleissa niiden pitoisuudet keskustassa voivat olla huomattavasti suuremmat kuin reuna‐<br />
osissa.<br />
Standardi SFS‐EN 10020 ei tunne ennen ylei<strong>se</strong>sti käytössä ollutta jaottelua 1)suurtuotanto‐, 2)laatu‐<br />
ja 3)jaloteräksiin. (Niiden fosfori‐ ja rikkipitoisuuksien rajat olivat 1)ei rajoituksia, 2) max. 0,045 % P<br />
ja max. 0,045 % S <strong>se</strong>kä 3) max. 0,035 % P ja max. 0,035 % S). Nykyi<strong>se</strong>ssä standardissa jaetaan teräk<strong>se</strong>t<br />
perus‐, laatu‐ ja erikoisteräksiin, mutta jako ei perustu fosfori‐ ja rikkipitoisuuksiin. Seostamattomi‐<br />
en perusterästen fosfori‐ ja rikkipitoisuuden maksimiarvoksi ilmoitetaan kuitenkin 0,045 %.<br />
Seostamattomat laatuteräk<strong>se</strong>t määritellään standardissa <strong>se</strong>uraavasti: ʺSeostamattomia laatuteräksiä<br />
ovat ne <strong>se</strong>ostamattomat teräk<strong>se</strong>t, jotka eivät kuulu <strong>se</strong>ostamattomiin perusteräksiin eivätkä <strong>se</strong>ostamattomiin<br />
erikoisteräksiin.ʺ Seostamattomien erikoisterästen ylei<strong>se</strong>ssä kuvauk<strong>se</strong>ssa sanotaan: ʺSeostamattomat<br />
erikoisteräk<strong>se</strong>t ovat puhtaampia kuin <strong>se</strong>ostamattomat laatuteräk<strong>se</strong>t, varsinkin epämetallisten sulkeumien<br />
osalta.ʺ Mitään konkreettisia arvoja ei kuitenkaan ole esitetty.<br />
Vety. Vety liukenee teräk<strong>se</strong>en atomimuodossa. Vetyä voi liueta teräk<strong>se</strong>en kosteasta ilmakehästä,<br />
kosteista <strong>se</strong>osaineista, huonosti kuivatuista valu<strong>se</strong>nkoista ja muoteista. Vedyn liukoisuus sulaan<br />
teräk<strong>se</strong>en on monikymmenkertainen jähmettynee<strong>se</strong>en teräk<strong>se</strong>en verrattuna. Sen liukoisuus piene‐<br />
nee jyrkästi teräk<strong>se</strong>n jähmettyessä, kts. kuva. Tuoree<strong>se</strong>en muottiin valettaessa teräk<strong>se</strong>n<br />
vetypitoisuus lisääntyy veden höyrystyessä ja hajotessa hapeksi ja vedyksi. Onneksi vedyn dif‐<br />
fuusionopeus on hyvin suuri, niin että suurin osa siitä ehtii poistua jähmettyvästä metallista.<br />
Kuitenkin vety voi muodostaa huokosia etenkin alueille, joissa on syöttövajausta. Kaasurakkuloi‐<br />
den synty korostuu u<strong>se</strong>in hapen, typen ja vedyn yhteisvaikutuk<strong>se</strong>sta. Pitkäaikainen varastointi<br />
huoneenlämmössä saa vedyn poistumaan teräk<strong>se</strong>stä diffuusiolla. Pienetkin määrät vetyä aiheutta‐<br />
vat teräk<strong>se</strong>en haurautta jo ennen kaasurakkuloiden muodostumista. Mm. tyhjökäsittelyllä saadaan<br />
vety poistettua valuteräksistä.<br />
Kuva 27. Vedyn ja typen liukoisuus teräk<strong>se</strong>en eri lämpötiloissa.<br />
Typpi. Kuten vety, liukenee typpikin teräk<strong>se</strong>en atomimuodossa. Typpeä joutuu teräk<strong>se</strong>en ilmasta,<br />
jonka kanssa sula teräs joutuu kosketuksiin. Typpi katsotaan u<strong>se</strong>immiten haitta‐aineeksi, joka<br />
aiheuttaa vanhenemisilmiön. Vanheneminen voidaan estää sitomalla typpi alumiinilla tai titaanilla.<br />
Hitsattavien terästen typpipitoisuus rajoitetaan 100ppm:n tasolle.<br />
Typen vaikutus teräk<strong>se</strong>n ominaisuuksiin. Typpi vaikuttaa teräk<strong>se</strong>n mekaanisiin ominaisuuksiin,<br />
ruostumattomissa teräksissä myös korroosio‐ominaisuuksiin. Liuennut typpi lujittaa teräk<strong>se</strong>n<br />
mikrorakennetta. Se aiheuttaa ferriitissä myötövanhenemista <strong>se</strong>kä nostaa iskusitkeyden transi‐<br />
tiolämpötilaa. Kylmämuokkauk<strong>se</strong>n jälkei<strong>se</strong>ssä panoshehkutuk<strong>se</strong>ssa nitridejä erkauttamalla voidaan<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 43
<strong>ValuAtlas</strong> – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Pentti Toivonen<br />
alumiinitiivistetyn teräk<strong>se</strong>n kylmämuokattavuutta lisätä, mutta jatkuvan hehkutuk<strong>se</strong>n aikana<br />
nitridejä ei ehdi erkautua, ja kylmämuokkautuvuus jää heikommaksi.<br />
Typpi lisää ferriittisten ruostumattomien terästen riskiä raerajakorroosioon, mutta vähentää piste‐<br />
korroosiota austeniittisissa teräksissä. Typpi stabiloi austeniittista rakennetta, mikä on ferriitti<strong>se</strong>ssä<br />
ruostumattomassa teräk<strong>se</strong>ssä haitallista, mutta edullinen ominaisuus austeniitti<strong>se</strong>ssa ruostumatto‐<br />
massa. Austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä typpi on kaikkein tehokkain kiinteää liuosta<br />
lujittava aine, 0,1 %:n typen lisäyk<strong>se</strong>llä saadaan aikaan n. 200 MPa:n lujuuden kasvu. Typpi lisää<br />
myös austeniitti<strong>se</strong>n ruostumattoman teräk<strong>se</strong>n lujuutta hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Typpi <strong>se</strong>kä<br />
hiilipitoisuudet vaikuttavat martensiittisten ruostumattomien terästen (12Cr‐MoV) päästökäyttäy‐<br />
tymi<strong>se</strong>en. Typpi‐ ja hiilimäärän lisäys kasvattaa teräk<strong>se</strong>n päästönjälkeistä kovuutta. Sekä typpi että<br />
hiili ovat austeniittia stabiloivia aineita, eivätkä siten vaadi kompensoivia <strong>se</strong>ostuksia säilyttämään<br />
haluttu austeniitti‐martensiitti ‐rakenne, kuten esim. Mo ja V, jotka vaativat lisäksi Ni‐<strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>n.<br />
Välisija‐atomeista vapaat teräslaadut ovat pehmeitä, hyvin kylmämuokkautuvia teräksiä, joissa<br />
liuenneen typen pitoisuus pyritään saamaan mahdollisimman alhai<strong>se</strong>ksi. Tähän tarkoituk<strong>se</strong>en<br />
käytetään tyhjökäsittelyä. Typenpoisto on periaatteessa mahdollista myös <strong>se</strong>ostamalla teräk<strong>se</strong>en<br />
voimakkaita nitridin muodostajia, jolloin pro<strong>se</strong>ssitapahtuma on verrattavissa saostusdeoksidaati‐<br />
oon. Myös teräksissä, joissa boorin mikro<strong>se</strong>ostuk<strong>se</strong>lla haetaan teräk<strong>se</strong>en voimakasta karkenevuutta,<br />
on typpi epäpuhtaus, koska boori on pidettävä teräk<strong>se</strong>en liuenneena. Boorinitridin muodostus<br />
estetään pitämällä typpitaso riittävän alhai<strong>se</strong>na ja saostamalla teräk<strong>se</strong>en voimakkaita nitridinmuo‐<br />
dostajia kuten titaania.<br />
Typpeä lisätään myös hienoraeteräksiin, joissa <strong>se</strong> sidotaan stabiileiksi nitrideiksi alumiinilla, ti‐<br />
taanilla tai niobilla. Nämä nitridit estävät rakeenkasvua lämpökäsittelyjen yhteydessä.<br />
Happi. Happi on sidottava tiivistämällä teräs, jotta <strong>se</strong> ei teräk<strong>se</strong>n jähmettyessä muodostaisi hiilen<br />
kanssa hiilimonoksidia, joka aiheuttaa kapillaari‐ ym. muita huokosia. Huokosvaaran lisäksi happi<br />
vaikeuttaa teräk<strong>se</strong>n juoksua ja syöttöä.<br />
Happipitoinen teräs muodostaa jäähtyessään haitallisia kovia oksideja, jotka heikentävät lujuutta ja<br />
sitkeyttä ja haittaavat koneistusta. Valu<strong>se</strong>nkan suutiilten kurouminen johtuu kovista oksideista,<br />
lähinnä alumiinioksideista. Happi kohottaa voimakkaasti teräk<strong>se</strong>n transitiolämpötilaa. Sen vuoksi<br />
teräk<strong>se</strong>t, joilta vaaditaan hyviä sitkeysominaisuuksia myös matalissa lämpötiloissa, on tiivistettävä<br />
huolelli<strong>se</strong>sti.<br />
Lähteet<br />
Autere E., Ingman Y. & Tennilä P. ‐ ʺValimotekniikka Iʺ<br />
Onsoien M. I. & Skaland T. ‐ ʺPreconditioning of gray iron melts using ferrosilicon or silicon cardi‐<br />
beʺ<br />
Riposan I., Chisamera M. & Petrus I. ‐ ʺRomanian industrial experience in the u<strong>se</strong> of metallurgical<br />
silicon carbide at cast iron production in induction furnaces and cupolasʺ<br />
Pettersson Hans ‐ ʺOsuuskunta Teollisuuden Romu ‐ Ylei<strong>se</strong>t toimitu<strong>se</strong>hdotʺ<br />
Toivonen Pentti ‐ ʺSulatustekniikka ja materiaalioppiʺ<br />
MET Raaka‐ainekäsikirja 2/2001 – Valuraudat ja valuteräk<strong>se</strong>t<br />
Niini Eero ‐ ʺValuraudatʺ<br />
Lähde: Elkem Technical Information Sheet 12 ʺEffects of Minor and Trace Elements in Cast Ironʺ<br />
Pettersson Hans ‐ ʺOsuuskunta Teollisuuden Romu ‐ Ylei<strong>se</strong>t toimitu<strong>se</strong>hdotʺettersson Hans ‐<br />
ʺOsuuskunta Teollisuuden Romu ‐ Ylei<strong>se</strong>t toimitu<strong>se</strong>hdotʺ<br />
Pekuri Janne & Virtanen Pirjo ‐ ʺTypenpoistoʺ<br />
Rautametallien sulatuk<strong>se</strong>n raaka‐ ja apuaineet ‐ 44
Change language