Johdanto

MaTek-hankkeen vaurioanalyysin tutkimuskohteena selvitettiin syytä, yhteistyössä Yara Oy:n kanssa, tehtaalla kahdelle rikkoutuneelle ADI pallografiittivaluraudasta valmistetulle silmukalle. Tästä aiheesta kirjoitimmekin jo osassa 1, Matek-hankkeen tutkimus ADI-valuraudasta. Lue artikkeli.

Tarkoituksena oli selvittää mahdollisia materiaali- ja valuvirheitä, jotka olisivat saattaneet olla syynä rikkoutumisiin sekä murtumismekanismeja ja murtumien etenemistä. Kuvia on otettu eri kohdista melko paljon murtumien havainnollistamiseksi, vaikkakaan kuvat eivät tee riittävästi oikeutta verrattuna kappaleiden tarkasteluun paikan päällä. Alla on havainnollistava kuva 1 helmikuussa 2022 rikkoutuneesta silmukasta.

Silmukan murtopinnan tutkimus makro- ja mikrotasolla

Murtopinnoilta sekä hieistä otettiin kuvia eri suurennoksilla. Kuvien avulla tutkittiin murtumien etenemistä, murtumismekanismia ja valussa mahdollisesti olevia sisäisiä huokosia ja halkeamia mikro- ja makrotasolla.

Kiinnitystapin silmukan murtopinnan tutkimus

Kun kappaleen murtopintoja tutkittiin, huomattiin että niissä joissakin on jonkin verran melko isojakin huokosia/valuvikoja. Erityisesti kuvassa 2 c nämä tulevat hyvin näkyviin silmämääräisestikin katsottuna. Murtopinnasta otettujen kuvien 2 a, b, c ja d perusteella vaikuttaa, että valussa ei ole kaikki täysin onnistunut. Kuvissa a ja b näkyy, kuinka siellä on hyvin mustia alueita ja kuvien c ja d pinnat olivat lähes täysin mustat.

Valuatlasta siteeraten:
”Murtopinnassa ovat tietyt alueet normaalia tummemmat ja toiset vaaleammat. Tummemmat kohdat sisältävät ylimääräistä grafiittia. Syynä ovat ongelmat sulan koostumuksessa, liian matala valulämpötila tai sulan liian pitkä seisottaminen”.

Kuvan 2 b keskellä näkyy pienehköjä kaasuhuokosia mutta oikeanpuoleisessa kuvassa niitä on enemmän ja isompia. Huokosia esiintyy käytännössä katsoen aina valuissa ja niiden sallittu koko ja määrä on sovittava asiakkaan ja toimittajan kanssa erikseen.

Kuviin 2 a, b, c ja d on merkitty murtumien alkualueet silmämääräisen ja mikroskooppitutkimuksen perusteella. Osassa makrokuvia nämä näkyvätkin melko lailla hyvin mutta osassa niin sanotut jokikuviot (Rivers) kertoivat paljon. Yhteistä näille kaikille alkupaikoille on muun muassa se, että ne alkavat sisäpuolelta, siis kiinnitystapin vastinpinnalta (Fracture Mechanics, Failure Analysis and Prevention).

Mikrorakennetutkimus

Mikrorakennetutkimusta varten tehtiin hieitä, joista tutkittiin materiaalin mikrorakennetta. Mikrorakennekuvista voitiin havaita että, grafiitin palloutumisessa oli vaihtelua eri alueilla, niin että joissain kohdin palloutumatonta grafiittia on ehkä liian paljon, kun taas joillain alueilla grafiitin palloutuminen oli oikein hyvä. Nämä kuvat on otettu standardin SFS EN ISO 945-1:2019 mukaisesti 100x suurennoksella. Kuvissa näkyy myös selvästi erilaisia valuvikoja, jotka ovat linjassa Itä-Suomen yliopiston tekemän tutkimuksen kanssa. Joillakin alueilla havaittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla happirikkaita alueita ja selviä valuvikoja.

Kuvassa 3 a näkyy vanhemmasta murtuneesta kappaleesta tapin lenkin murtopinnan alapuolelta tehdystä hieestä alue, jossa näkyy pieniä grafiittipalloja. Kuvassa 3 b puolestaan näkyy isoja grafiittipalloja.

Näitä kuvia voidaan verrata myös uudesta kappaleesta otettuihin kuviin, jossa grafiittiköyhä alue sekä grafiittipitoinen alue. Nämä ovat esitetty kuvissa 4 a ja b. Kuvassa 4 a näkyy myös muutama pienehkö imuhuokonen.

Joissakin kuvissa näyttäisi matriisin olevan paikka paikoin sekoitelma austeniittia/ferriittiä, ausferriittiä, perliittiä ja bainiittia (näitä eri alueita oli parissa näytteessä erinäiset määrät). Erikoinen yhdistelmä mutta täysin järkeen käypä, sillä eri kohdat ovat jäähtyneet eri tavoin. Matriisin piti olla ilmoitetun mukaan bainiittia. Se, miten voi päätellä kuvassa ristiriitaisen tuntuisesti olevan perliittiä, johtuu perliitin ja bainiitin rakenteellisista eroista. Bainiitissa on sementiittikiteitä ferriittipatjalla, rajallisesta diffuusiosta johtuen. Bainiitin muodostumislämpötila ja läsnä olevat seosaineet johtavat sitten erilaisiin bainiitin muotoihin, joita on nykytiedon mukaan ainakin seitsemää eri lajia. Perliitin muodostumisessa austeniitista diffuusiolle on aikaa ja sementiittikiteet järjestäytyvät ferriitin kanssa lamellimaiseksi rakenteeksi. Nämä perliittikoloniat tulivat joissakin kohdin melko hyvin esille. Tutkimuskappaleiden paksuimmissa kohdissa jäähtyminen on hitaampaa ja diffuusiolle jää aikaa (Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi, 2020).

Yhteenveto

Tämän tutkimuksen perusteella pelkästään murtopintoja tarkasteltaessa vaikuttaa, että valussa ei ole kaikki täysin onnistunut. Mikrorakennetutkimus tuo toisenlaisen näkökulman mukaan ja näiden molempien perusteella sekä lähdetiedostojen mukaan tulokset ovat esitetty tässä:

Murtopintojen perusteella nähdään, kuinka vanhemmissa tutkimusnäytteissä on hyvin mustia alueita ja uudemmissa näytteissä pinnat olivat jopa lähes täysin mustat. Aiemman valuatlaksen siteerauksen mukaan:

”Murtopinnassa ovat tietyt alueet normaalia tummemmat ja toiset vaaleammat. Tummemmat kohdat sisältävät ylimääräistä grafiittia. Syynä ovat ongelmat sulan koostumuksessa, liian matala valulämpötila tai sulan liian pitkä seisottaminen”.

Niin makro- kuin mikrotasoilla näkyy huokosia ja erityisesti joitakin valuvikoja (esim. imu- eli kutistumaviat, huokoisuusviat, etc.) reuna-alueella, epätäydellisen grafiitin palloutumisella sekä matriisin mikrorakenteella olisi oma merkittävä vaikutuksensa vaurioon.

Tässä tutkimuksessa ei olla otettu kantaa seosaineisiin ja niiden pitoisuuksiin mutta jotka oletettavasti ovat oikeat (valimon kuuluu tietää tämä). Eri seosaineet ja niiden pitoisuudet vaikuttavat myös osaltaan muodostuviin faaseihin ja niiden määräsuhteisiin. sitkeyttä ja kylmän kestävyyttä iskumaisessa rasituksessa voisi ehkä hiukan parantaa nikkeliä lisäämällä (0,5 – 1 %)?

Tässä tutkimuksessa ei voitu ottaa kantaa iskusitkeyteen (Charpy V), koska valujen toimittaja ei ole tätä ilmoittanut erikseen.
Johtopäätöksenä materiaalin pitäisi olla tässä tutkimuksessa saatujen tulosten perusteella hieman tasalaatuisempaa. Grafiitin palloutumisen pitäisi vastata ehkä paremmin luvattua 90 % laatua VI. Runsas grafiitin rikastuminen jollekin alueelle, erityisesti mekaanisesti rasitetuimmalle kiinnitystapin lenkin kohdalle, pitäisi saada valun optimoinnilla kuntoon.

Huokosten ja valuvikojen määrää olisi hyvä yrittää saada pienemmäksi. Valun ja lämpökäsittelyn pitäisi olla paremmin hallinnassa. Charpy V iskukokeen käyttö olisi hyvä. Asiakkaan kanssa yhdessä täytyisi sopia näille kaikille selkeät raja-arvot.

Kirjoittajat:

Mika Mäkinen, Arvo Tiilikainen, Jussi Asikainen, Savonia-ammattikorkeakoulu

Lähdeluettelo:

1. SFS EN ISO 945-1:2019 Valurautojen mikrorakenne. Osa 1 grafiitin luokittelu visuaalisesti
2. Valuatlas – Rauta, teräs ja metallivalujen valuviat
3. Valuatlas – Valimon aiheuttamat valuviat
4. Anderson, T., Fracture Mechanics, Fundamentals and Applications (3rd edition), 2005
5. ASM International, Failure Analysis and Prevention, ASM Handbook Vol. 11, 2004
6. Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi, Simo-Pekka Hannula, Eero Haimi, Veikko Lindroos, 2020