Johdanto

Savonia-ammattikorkeakoulu on tutkinut yhteistyössä Savon koulutuskuntayhtymän sekä Itä-Suomen yliopiston kanssa erilaisia näytekappaleita MaTek-hankkeessa. Yhteistyötä on kehitetty paremmin alueen monipuolisia tarpeita vastaaviksi.

MaTek-hankkeen vaurioanalyysin tutkimuskohteena selvitettiin Yara Oy:n kanssa, ADI pallografiittivaluraudasta valmistetulle tuotteen ominaisuuksia sekä vaurioiden mahdollisia syitä. Pallografiittivalurautaa saadaan, kun valurautaan lisätään pieniä määriä magnesiumia, noin 0,05 % grafiitin ydintymiskeskuksiksi. Grafiitti muodostuu silloin pallomaiseksi eikä suomumaiseksi kuten harmaalla valuraudalla. Hiilipitoisuus on korkea, 3,5 – 3,9 % (SFS-EN 1563:2018, Valuatlas).

Tarkoituksena oli selvittää mahdollisia materiaali- ja valuvirheitä, jotka olisivat saattaneet olla syynä rikkoutumisiin sekä murtumismekanismeja ja murtumien etenemistä ADIsta valmistetulle tuotteelle. Tässä ensimmäisessä osassa keskitytään enemmän ADI-valurautojen teoriaan ja toisessa osassa tutustutaan enemmän itse tutkimusaiheeseen.

ADI pallografiittivalurauta

Valurauta on raudan, hiilen, piin, fosforin, sekä muiden seosaineiden ja epäpuhtauksien muodostama metalliseos. Valuraudat jaetaan grafiittia sisältäviin ja ns. valkoiseen valurautaan, jossa hiili on muodostanut erilaisia karbideja. Valuraudat erotellaan toisistaan ensisijaisesti hiilen esiintymistavan mukaan siksi, että valurautojen mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat voimakkaasti grafiitin esiintymistavasta riippuvaisia. Grafiittisten valurautojen ja erityisesti pallografiittivaluraudan ominaisuudet riippuvat myös metallisen perusmassan eli matriisin tyypistä ja ominaisuuksista.

Valurautojen tärkeimmät seosaineet ovat hiili (C) ja pii (Si). Palloutumista ehkäiseviä aineita hapen ja rikin lisäksi ovat ensisijaisesti karbideja muodostavat aineet, kuten Cr, Mo, V ja Mn. Kun taas ns. haitta-aineet Bi, Te, Sb, Pb, Se, As, Ti ja Al jopa estävät pallojen muodostumista. Palloutumista edistäviä aineita puolestaan ovat kaupallisesti merkittävimmät Mg ja Ca sekä näiden lisäksi Ce, Sr ja Ba.
Pallografiittivaluraudassa (GJS) grafiitti on satunnaisesti jakaantuneina erillisinä pallomaisina partikkeleina raudan matriisissa (kts. kuvat 2 ja 3). Pallografiittivaluraudan lujuusominaisuuksia parantaa grafiittipallojen pieni koko sekä tasaisesti jakautunut palloutus, tasaisella grafiittipallojen kokojakaumalla (SFS-EN 1563, Valuatlas).

ADI pallografiittivalurauta (Austempered Ductile Iron) on lämpökäsiteltyä (austemperoitua) pallografiittivalurautaa, jolla on erinomaiset mekaaniset ja tribologiset ominaisuudet. Näistä valmistetut koneet ja osat sopivat usein kaivosteollisuuden käyttöön, vaikkakin näiden käyttö on levinnyt laajemmalle teollisuuteen.

Austemperointi lämpökäsittelyn avulla valuraudan rautafaasiin muodostuu ausferriittisen matriisin mikrorakenne (austeniittis‐ferriittinen), jolla on suuri lujuus ja hyvä sitkeys. Ausferriittinen matriisi myös muokkauslujittuu käytön aikaisen mekaanisen rasituksen vaikutuksesta austeniitin muuttuessa martensiitiksi.

Nopeammalla jäähdytyksellä ja sopivalla seostuksella voidaan saada aikaan myös bainiittinen rakenne matriisiin. Muodostuvan bainiitin rakenne on neulasmainen rakenne ferriitin ja siinä olevien hienojakoisten sementiittikiteiden seos. Aiemmin mainittu ausferriitti joskus sekoitetaan bainiittiin tämän samankaltaisen neulasmaisen rakenteen johdosta (SFS-EN 1564, Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi, 2020, Valuatlas).

Näytteen murtopinnan tutkimus makro- ja mikrotasolla

Standardissa SFS-EN 1563:2018 käsitellään siis pallografiittivalurautoja, kun taas standardissa SFS-EN 1564:2011 käsitellään ausferriittisiä pallografiittivalurautoja. Näistä jälkimmäiseen standardiin tutkittavana ollut näyte paremmin kuuluu, vaikkakin matriisin on luvattu tässä valukappaleessa olevan bainiittia.

Murtopinnoilta otettiin kuvia eri suurennoksilla. Kuvien avulla tutkittiin murtumien etenemistä, murtumismekanismia ja valussa mahdollisesti olevia sisäisiä huokosia ja halkeamia mikrotasolla. 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.

Näistä enemmän seuraavassa osassa mutta alla olevasta kuva 1:stä näkee mikrorakennetta tarkemmin sekä tätä grafiitin palloutumisen epätasaisuutta. Kuva on otettu standardin SFS EN ISO 945-1:2019 mukaisesti 100x suurennoksella.

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 tässä esitetty. Kuvista 2 a ja b huomaa eri alueilla olleen erikokoinen grafiittipallojen jakauma.

Lähdeluettelo

1. Valuatlas – Valimotekniikan perusteet, Valuraudat
2. SFS-EN 1563:2018 Valut. Pallografiittivaluraudat
3. SFS-EN 1564:2011 Valut. Ausferriittiset pallografiittivaluraudat
4. SFS EN ISO 945-1:2019 Valurautojen mikrorakenne. Osa 1 grafiitin luokittelu visuaalisesti
5. Valuatlas – Rauta, teräs ja metallivalujen valuviat
6. Valuatlas – Valimon aiheuttamat valuviat
7. Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi, Simo-Pekka Hannula, Eero Haimi, Veikko Lindroos, 2020

Kirjoittajat:

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

Lue artikkelin seuraava osa, Osa 2!