Valurauta ja valuteräs - ValuAtlas · ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Valurauta ja valuteräs Seija Meskanen – Teknillinen korkeakoulu Tuula

ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök

Valurauta ja valuteräs Seija Meskanen – Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök – Tampereen teknillinen yliopisto

Valurauta ja valuteräs ovat raudan (Fe), hiilen (C), piin (Si) ja mangaanin (Mn) sekä muiden seosai-neiden ja epäpuhtausaineiden muodostamia metalliseoksia. Valuraudoissa on hiiltä yli 2 %. Jos hiiltä on vähemmän kuin 2 %, puhutaan valuraudan sijaan teräksestä. Valuraudoissa käytetään seosaineina edellä lueteltujen lisäksi yleisimmin kromia (Cr), molybdeenia (Mo) ja nikkeliä (Ni). Yleisimmät epäpuhtausaineet sekä valuraudoissa että valuteräksissä ovat rikki (S) ja fosfori (P).

Yli 2 % hiilimäärä on enemmän, mitä rauta pystyy missään olosuhteissa liuottamaan. Ylimääräinen hiili voi erkautua eri tavoin muotoutuneiksi grafiittikiteiksi raudan ja muiden seosaineiden muo-dostamaan mikrorakenteeseen, jota kutsutaan matriisiksi. Se voi myös sulautua matriisiin rautakarbidina eli sementiittinä Fe3C. Karbideita muodostuu raudan lisäksi myös seosaineiden kanssa. Karbidit kasvattavat seoksen lujuutta, mutta vähentävät usein sen sitkeyttä.

Valuteräkset ryhmitellään hiilipitoisuuden mukaan siten, että niukkahiiliset teräkset sisältävät alle 0,25 % hiiltä, keskihiiliset 0,25–0,6 % ja runsashiiliset 0,6–2,0 %. Teräkset voidaan jakaa myös seosai-neiden määrän perusteella seostamattomiin, niukkaseosteisiin ja runsaasti seostettuihin teräslajeihin. Seostamattomissa teräksissä on hiilen lisäksi vain vähäisiä määriä (alle 5 %) muita seosaineita. Runsaimmin seostetuissa teräksissä raudan osuus voi jäädä alle puoleen. Yleisimmät seosaineet ovat edellä lueteltujen hiilen (C), piin (Si) ja mangaanin (Mn) lisäksi kromi (Cr), molyb-deeni (Mo), kupari (Cu) ja vanadiini (V).

Raudan ja hiilen seoksen jäähtyessä sulatilasta huoneenlämpötilaan, tapahtuu tietyssä lämpötilassa eutektinen reaktio ja tätä jonkin verran matalammassa lämpötilassa eutektoidinen reaktio. Eutekti-nen reaktio tapahtuu sulan jähmettyessä siten, että siitä erkautuu kahta tai useampaa kiinteää ainesosaa eli faasia. Eutektoidinen reaktio tapahtuu aineen kiinteässä tilassa siten, että yksi tai useampi kiinteistä faaseista alkaa muodostaa toisen tyyppistä kiinteää faasia. Lämpötilat, joissa reaktiot tapahtuvat, riippuvat seoksen sisältämistä muista alkuaineista.

Puhtaan raudan ja puhtaan hiilen muodostamassa järjestelmässä eutektinen reaktio tuottaa sulasta grafiittia (kiteytynyttä hiiltä) ja pintakeskisessä kuutiollisessa muodossa olevaa gammarautaa (γ-Fe) eli austeniittia. Grafiittia muodostuu kuitenkin vain siinä tapauksessa, että järjestelmässä on enem-män hiiltä kuin mitä austeniittiin liukenee. Austeniitti liuottaa laskennallisesti 2,03 paino-% hiiltä eutektisessa 1153 °C lämpötilassa, mutta enää 0,68 paino-% 738 °C lämpötilassa, jolloin tapahtuu eutektoidinen reaktio1. Eutektoidinen reaktio tuottaa austeniitista tilakeskisessä kuutiollisessa muodossa olevaa alfarautaa (α-Fe) eli ferriittiä. Ferriitin lisäksi muodostuu lisää grafiittia, koska ferriitti liuottaa hiiltä huomattavasti vähemmän kuin austeniitti (Kuva 1). Ferriitti liuottaa lasken-nallisesti maksimissaan 0,02 % hiiltä eutektoidisen reaktion alkaessa. Huoneenlämpötilassa liukoisuus on olematon, laskennallisesti se on 6,45 x 10-11 %.

Hiili ei läheskään aina ennätä erkautua austeniitista grafiittimuodostelmiksi todellisissa valuolosuh-teissa. Erkautuminen vaatisi huomattavasti pitemmän jäähtymisajan kuin mihin lämpöä eristävissä hiekkamuoteissakaan on mahdollisuus. Tästä syystä hiili muodostaa karbidirakenteita grafiitin sijasta tai grafiitin ohella.

1 Arvot on laskettu Thermo-Calc ohjelmistolla seoksella, jossa on 97 % rautaa ja 3 % hiiltä.

Muokattu 10.11.2015 (Tuula Höök) – Valurauta ja valuteräs - 1


Karbidien muodostuminen joko perliittisenä, martensiittisena tai bainiittisena rakenteena on monis-sa teräksissä ja valuraudoissa toivottu reaktio, jota edistetään seosaineilla sekä kasvattamalla jäähtymisnopeutta. Lämpökäsittelyillä on mahdollista saavuttaa kontrolloidut jäähtymisolosuhteet, joilla ohjataan valuraudan tai teräksen matriisi haluttuun rakenteeseen.

Seosaineita, jotka edistävät karbidien muodostumista sekä eutektisen että eutektoidisen reaktion aikana, ovat kromi (Cr), molybdeeni (Mo), volframi (W) ja vanadiini (V). Seosaineita, jotka edistävät grafiitin muodostumista näissä molemmissa reaktioissa, ovat puolestaan pii (Si) ja alumiini (Al). Seosaineita, jotka edistävät grafiitin muodostumista eutektisen reaktion aikana ja karbidien muo-dostumista eutektoidisen reaktion aikana, ovat nikkeli (Ni), kupari (Cu) ja tina (Sn).2

Jäljempänä olevassa kuvassa (Kuva 2) esitetään puhtaan raudan ja puhtaan hiilen tasapainopiirros. Piirroksesta käy ilmi raudan ja hiilen muodostama faasirakenne tasapainotilanteessa hiilipitoisuu-den ja lämpötilan funktiona.

Tekstin lopussa esitetään lisää tasapainopiirroksia. Liitteenä ovat kuvat puhtaan raudan, puhtaan hiilen ja puhtaan kromin tasapainopiirroksesta (Kuva 6), puhtaan raudan, puhtaan hiilen ja puhtaan nikkelin tasapainopiirroksesta (Kuva 7) sekä puhtaan raudan, puhtaan hiilen ja puhtaan mangaanin tasapainopiirroksesta (Kuva 8). Kaikki piirrokset on laadittu siten, että x-akselilla esitetään hiilipi-toisuus välillä 0 – 10 % ja y-akselilla lämpötila välillä 20 – 1600 °C. Kromin pitoisuus on joko tasan 2 % tai 10 %, nikkelin ja mangaanin pitoisuudet ovat joko tasan 1 % tai 10 %. Näiden lisäksi kuvissa esitetään kaaviot faasien moolijakaumista lämpötilan funktiona. Hiilen pitoisuudeksi on kaikissa kaavioissa asetettu 3,0 %. Tasapainopiirrokset ja kaaviot ovat laskennallisia ja ne on laadittu Ther-mo-Calc ohjelmistolla.

Kuva 1. Puhtaan raudan ja puhtaan hiilen reaktiot tasapainotilanteessa, kun hiiltä on seostettu rautaan yli 2 %. Sulatilassa esiintyy rautaa ja hiiltä. Eutektisen reaktion aikana rauta kiteytyy austeniittina, joka liuottaa maksimissaan 2 % hiiltä 1153 °C lämpötilassa. Loppu hiilestä kiteytyy grafiitiksi. Eutektoidisen reaktion aikana austeniitti muuttaa olomuotoaan ferriitiksi, joka liuottaa maksimissaan enää 0,02 % hiiltä 738 °C lämpötilassa. Mikäli jäähtymisnopeus on riittävän hidas, ylimääräinen hiili erkautuu ja muodostaa lisää grafiittia. Jos jäähtymisnopeutta kasvatetaan, hiili muodostaa karbidirakenteen ferriitin kanssa.

2 ASM Handbook, Volume 1, Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys, ASM International, USA, 1990.



Kuva 2. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-hiili tasapainopiirros. Hiilen pitoisuus esitetään x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 – 10 %. Lämpötila esitetään y-akselilla ja se vaihtelee välillä 20 – 1600 °C. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuo-dossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Eutektinen lämpötila on laskennallisesti 1153 °C. Eutektoidinen lämpötila, jossa austeniitti muuttuu ferriitiksi, on laskennallisesti 738 °C. Mikäli lämpötila laskee riittävän hitaasti, hiili erkautuu eutektoidisen lämpötilan alapuolella grafiittina eikä muodos-ta rautakarbidia.

Kuva 3. Puhtaan hiilen ja puhtaan raudan seoksen faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona. Seoksessa on 97 % rautaa ja 3 % hiiltä. Faasiosuudet on laskettu Thermo-Calc ohjelmistolla.



Valuraudat Valurautojen ominaisuudet riippuvat yhteisesti grafiitin erkautumisen asteesta, erkautuneen grafii-tin muodosta ja matriisin rakenteesta. Ellei sulatuksen yhteydessä tehdä mitään erityisiä toimenpiteitä, erkautuva grafiitti muodostaa suomumaisia rakenteita. Käsittelyjen avulla grafiitti voidaan saada muodostumaan pallomaisina rakenteina tai epätäydellisen pallomaisina rakenteina eli tylppägrafiittina. Grafiitin pallomaiset muodot valmistetaan sulatuksen jälkeen tapahtuvalla palloutuskäsittelyllä. Joissain valuraudoissa grafiitti esiintyy liuskamaisina pyöreinä muodostelmi-na eli temperhiilenä. Tällaiset rakenteet valmistetaan lämpökäsittelemällä valmis valu.

Raudan ja hiilen matriisi voidaan valmistaa ferriittiseksi, perliittiseksi, ferriittis-perliittiseksi, auste-niittiseksi, austeniittis-ferriittiseksi tai martensiittiseksi riippuen valuraudalle halutuista ominaisuuksista. Matriisin rakenteeseen vaikutetaan valitsemalla seostukseen joko karbidinmuo-dostusta edistäviä tai ehkäiseviä seosaineita sopivassa suhteessa. Osa matriisirakenteista valmistuu seosaineiden vaikutuksesta suoraan valussa. Osa rakenteista vaatii lämpökäsittelyn joko välttämät-tömänä vaiheena tai vaiheena, jolla valussa muodostuneen mikrorakenteen ominaisuuksia parannellaan.

Pääainesosien lisäksi valuraudoissa on aina epäpuhtausaineina fosforia (P) ja rikkiä (S). Näiden pitoisuus vaihtelee raaka-aineina käytetyn rautaharkon ja valurautaromun laadun mukaisesti. Rikki vaikuttaa erityisen haitallisesti, koska sillä on taipumus muodostaa raudan kanssa yhdiste FeS, joka siirtyy jähmettymisen yhteydessä matriisin raerajoille heikentämään rakennetta. Haitta on mahdol-lista ehkäistä lisäämällä valurautaan mangaania, joka muodostaa matriisin rakeiden sisälle jakautuvan yhdisteen MnS. MnS muodostuu helpommin kuin FeS.

Mangaania tarvitaan seosaineena myös matriisin rakenteen muokkaamiseen siten, että ferriittiselle matriisille valitaan matala mangaanipitoisuus, alkaen 0,1 % pitoisuudesta, ja perliittiselle matriisille korkea, päättyen 1,2 % pitoisuuteen. Mangaani edistää perliitin muodostumista. Koska osa man-gaanista kuluu rikin kanssa muodostuvaan yhdisteeseen, mangaanipitoisuus valitaan esimerkiksi seuraavan kaavan perusteella:

0.15 + S) 1.7(% =Mn % 3

Piin ja hiilen määrät valitaan grafiitin muodon, halutun matriisin sekä kappaleen koon ja muodon perusteella. Tyypilliset arvot eri grafiittimuodoille on esitetty seuraavassa taulukossa (Taulukko 1). Hiilen ja piin määrien yhteisvaikutus huomioidaan usein hiiliekvivalentin (CE) muodossa, joka voidaan laskea esimerkiksi seuraavan kaavan perusteella.

S) 0.4(% + Mn) 0.027(% - P) 0.33(% + Si) 0.3(% + C % = CE 2

3 ASM Handbook, Volume 1, Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys, ASM International, USA, 1990.



Taulukko 1. Tyypillinen hiilen (C), piin (Si), mangaanin (Mn), fosforin (P) ja rikin (S) pitoisuus eri grafiittimuotoja edustaville valuraudoille2.

C Si Mn P S

Suomugrafiitti 2,5−4,0 1,0−3,0 0,2−1,0 0,002−1,0 0,02−0,25

Tylppägrafiitti 2,5−4,0 1,0−3,0 0,2−1,0 0,01−0,1 0,01−0,03

Pallografiitti 3,0−4,0 1,8−2,8 0,1−1,0 0,01−0,1 0,01−0,03

Grafiititon 1,8−3,6 0,5−1,9 0,25−0,8 0,06−0,2 0,06−0,2

Temperhiili 2,2−2,9 0,9−1,9 0,15−1,2 0,02−0,2 0,02−0,2

Analyysi, %Grafiittirakenne

Valuraudat voidaan jakaa ryhmiin eri tavoin. Alla on lueteltu jako 1) seostuksen, 2) grafiitin muo-don sekä 3) grafiitin muodon ja matriisin rakenteen perusteella. Viimeisenä mainittu jaottelu on yksityiskohtaisin ja myös selkein. Jos valuraudasta nimetään sekä grafiitin muoto että matriisin rakenne, sen ominaisuudet käyvät ilmi paljon suuremmalla tarkkuudella kuin nimettäessä rauta pelkästään pallo- tai suomugrafiittivaluraudaksi.

1. Seosaineiden perusteella − seostamattomiin valurautoihin (SFS-EN 1561, SFS-EN 1562, SFS-EN 1563, SFS-EN 1564,

SFS-EN 16079)4 − niukkaseosteisiin valurautoihin (SFS-EN 12513, SFS-EN 16124)5 − runsaasti seostettuihin valurautoihin (SFS-EN 12513, SFS-EN 13835)6

2. Grafiitin muodon perusteella

− suomugrafiittivalurautoihin (SFS-EN 1561, SFS-EN 13835) − tylppägrafiittivalurautoihin (SFS-EN 16079) − adusoituihin eli tempervalurautoihin (SFS-EN 1562) − pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563, SFS-EN 1564, SFS-EN 13835, SFS-EN 16124) − valkoisiin eli grafiitittomiin valurautoihin (SFS-EN 12513)

3. Grafiitin ja matriisin muodon perusteella

Suomugrafiittivalurauta jaetaan − (tavanomaisiin) suomugrafiittivalurautoihin, joiden matriisi on perliittinen tai perliittis-

ferriittinen (SFS-EN 1561) − kaikki lajit, perliitin ja ferriitin osuudet riippuvat esimerkiksi valun jäähtymisno-

peudesta − austeniittisiin suomugrafiittivalurautoihin (SFS-EN 13835)

− EN-GJLA-XNiCuCr15-6-2 − EN-GJLA-XNiMn13-7

4 SFS-EN 1561 - Valut. Suomugrafiittivalurauta. SFS-EN 1562 - Valut. Adusoidut valuraudat. SFS-EN 1563 - Valut. Pallografiittivalurauta. SFS-EN 1564 - Valut. Austemperoitu pallografiittivalurauta. SFS-EN 16079 - Valut. Tylppägra-fiittivaluraudat.

5 SFS-EN 12513 - Valut. Kulumiskestävät valuraudat. SFS-EN 16124 Valut. Niukkaseosteiset kuumalujat ferriittiset pallografiittivaluraudat.

6 SFS-EN 12513 - Valut. Kulumiskestävät valuraudat. SFS-EN 13835:en - Founding. Austenitic cast irons.



Pallografiittivalurauta jaetaan − ferriittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563, SFS-EN 16124)

− EN-GJS-350-22 − EN-GJS-400-18 − EN-GJS-450-10 − EN-GJS-450-18 − EN-GJS-500-14 − EN-GJS-600-10 − EN-GJS-SiMo25-5 − EN-GJS-SiMo30-7 − EN-GJS-SiMo35-5 − EN-GJS-SiMo40-6 − EN-GJS-SiMo40-10 − EN-GJS-SiMo45-6 − EN-GJS-SiMo45-10 − EN-GJS-SiMo50-6 − EN-GJS-SiMo50-10

− ferriittis-perliittisiin (ja perliittis-ferriittisiin) pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563) − EN-GJS-400-157 − EN-GJS-500-7 − EN-GJS-600-3

− perliittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563) − EN-GJS-700-2 − EN-GJS-800-2 − EN-GJS-900-28

− martensiittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563) − EN-GJS-800-29 − EN-GJS-900-2

− bainiittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1563) − EN-GJS-900-210

− austeniittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 13835) − EN-GJSA-XNi22 − EN-GJSA-XNi35 − EN-GJSA-XNiCr20-2 − EN-GJSA-XNiCr30-3 − EN-GJSA-XNiCr35-3 − EN-GJSA-XNiCrNb20-2 − EN-GJSA-XNiSiCr30-5-5 − EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 − EN-GJSA-XNiMn13-7 − EN-GJSA-XNiMn23-4

7 Matriisi on pääosin ferriittinen

8 Suurikokoiset valut, muuten martensiittinen tai bainiittinen.

9 Martensiittinen matriisi valmistetaan lämpökäsittelyn avulla

10 Bainiittinen matriisi valmistetaan lämpökäsittelyn avulla



− austeniittis-ferriittisiin pallografiittivalurautoihin (SFS-EN 1564) − EN-GJS-800-10 − EN-GJS-900-8 − EN-GJS-1050-6 − EN-GJS-1200-3 − EN-GJS-1400-1

Tylppägrafiittivalurauta jaetaan

− (pääosin) ferriittisiin tylppägrafiittivalurautoihin (SFS-EN 16079) − EN-GJV-300

− ferriittis-perliittisiin tylppägrafiittivalurautoihin (SFS-EN 16079) − EN-GJV-350 − EN-GJV-400

− perliittisiin tai pääosin perliittisiin tylppägrafiittivalurautoihin (SFS-EN 16079) − EN-GJV-450 − EN-GJV-500

Adusoitu valurauta jaetaan − hiiltä sitovassa atmosfäärissä lämpökäsittelemällä valmistettuihin valkoydintemperrautoi-

hin, joiden matriisin rakenne riippuu tarkastelukohdan sijainnista valuraudan seinämän sisällä (SFS-EN 1562)

− EN-GJMW-350-4 − EN-GJMW-360-12 − EN-GJMW-400-5 − EN-GJMW-450-7 − EN-GJMW-550-4

− normaalissa, mutta kontrolloidussa atmosfäärissä lämpökäsittelemällä valmistettuihin mus-taydintemperrautoihin, joiden matriisi voi lämpökäsittelystä riippuen olla esimerkiksi ferriittinen tai perliittinen (SFS-EN 1562)

− EN-GJMB-300-6 − EN-GJMB-500-5 − EN-GJMB-550-4 − EN-GJMB-600-3 − EN-GJMB-700-2 − EN-GJMB-800-1

Valkoinen valurauta jaetaan − perliittisiin valkoisiin valurautoihin kulumiskestävissä, seostamattomissa ja niukasti seoste-

tuissa valurautalajeissa (SFS-EN 12513) − EN-GJN-HB340 − EN-GJN-HB400

− martensiittisiin valkoisiin valurautoihin kulumiskestävissä, nikkelillä ja kromilla seostetuis-sa valurautalajeissa (SFS-EN 12513)

− EN-GJN-HB480 − EN-GJN-HB500 − EN-GJN-HB510 − EN-GJN-HB555 − EN-GJN-HB630



− austeniittisiin valkoisiin valurautoihin runsaasti kromilla seostetuissa valurautalajeissa (SFS-EN 12513)

− EN-GJN-HB555(XCr11) − EN-GJN-HB555(XCr14) − EN-GJN-HB555(XCr18) − EN-GJN-HB555(XCr23)

Valurautastandardeissa on määrätty koostumus vain seostetuille valuraudoille. Muiden valurauto-jen laji määräytyy grafiitin muodon, matriisin rakenteen sekä lujuus- tai kovuusluokan perusteella ja yleensä valimo saa päättää koostumuksen. Mekaanisten ominaisuuksien rajat on ilmoitettu valu-rautastandardeissa.

Suomugrafiittivalurauta SFS-EN 156111 Suomumaisia grafiittikiteitä kokonaan tai osin perliittisessä matriisissa. Loput matriisista on raken-teeltaan ferriittiä. Grafiitin muodon ansiosta suomugrafiittivaluraudalla on hyvä värähdystenvaimennuskyky, mutta muihin valurautoihin verrattuna huonot lujuusominaisuudet. Kimmokerroin on pieni. Suomugrafiittivaluraudalla on kuivanakin hyvät liukuominaisuudet ja grafiitti edistää voiteluaineen toimintaa liukupinnoissa. Seostamaton valurauta turpoaa korkeissa lämpötiloissa.

Kuva 4. Vasemmalla: Mikroskooppikuva suomugrafiittivaluraudan mikrorakenteesta. Suomaisia grafiittikiteitä pääosin perliittisessä matriisissa. Oikealla: Mikroskooppikuva perliitin rakenteesta. 100 x suurennos.

Suomugrafiittivalurauta voidaan valmistaa erilaisilla hiilen ja piin seosmäärillä valun koosta ja käyttökohteesta riippuen. Seossuhteella pyritään vaikuttamaan kiteytymiseen siten, että valuun saadaan toivottu mikrorakenne suhteessa suurikokoisen ja paksuseinämäisen valun pieneen jäh-mettymisnopeuteen tai pienikokoisen ja ohutseinämäisen valun suureen jähmettymisnopeuteen. Jos samassa valussa esiintyy sekä ohuita että paksuja seinämiä, siitä on hankala saada tasalaatuinen.

Austeniittiset suomugrafiittivalurautalajit standardissa SFS-EN 13835:en12 Matriisin rakenne muutetaan nikkelin (Ni), mangaanin (Mn) ja kuparin (Cu) avulla austeniittiseksi, jolloin suomugrafiitille tyypilliset mekaaniset ominaisuudet parantuvat. Austeniittisia suomugra-fiittivalurautalajeja käytetään korroosionkestävyyttä vaativissa olosuhteissa. Austeniittiset lajit

11 SFS-EN 1561 - Valut. Suomugrafiittivalurauta.

12 SFS-EN 13835:en - Founding. Austenitic cast irons.



kestävät korkeita lämpötiloja eivätkä ne ole magneettisia mikäli kromipitoisuutta ei kasvateta liikaa. Nikkeliä seostetaan runsaasti, yli 12 % (Taulukko 2).

Taulukko 2. Standardin SFS-EN 13835 sisältämien suomugrafiittivalurautalajien analyysi.

C Si Mn Ni Cr P CuEN-GJLA-XNiCuCr15-6-2 max. 3,0 1,0 - 2,8 0,5 - 1,5 13,5 - 17,5 1,0 - 3,5 max. 0,25 5,5 - 7,5EN-GJLA-XNiMn13-7 max. 3,0 1,5 - 3,0 6,0 - 7,0 12,0 - 14,0 max. 0,2 max. 0,25 max. 0,5

MateriaaliAnalyysi, %

Kuva 5. 100 x suurennos austeniittisesta matriisista teräksessä. Austeniitti on eräs puhtaan raudan olomuodois-ta. Rauta esiintyy siinä pintakeskisessä kuutiollisessa muodossa.

Pallografiittivalurauta SFS-EN 156313 Pallomaisia grafiittikiteitä tavallisesti ferriittisessä, ferriittis-perliittisessä, perliittis-ferriittisessä tai perliittisessä matriisissa. Joidenkin lajien matriisi voi olla myös martensiittinen tai bainiittinen. Grafiitin muoto saadaan aikaan palloutusaineilla. Ferriittinen matriisi pienentää lujuutta, mutta kasvattaa sitkeyttä. Perliitin määrän lisääntyessä matriisin lujuus kasvaa. Martensiittinen matriisi tuottaa lujan rakenteen, jonka venymä on pieni.

Pallografiittivalurauta ei turpoa kuten suomugrafiittivalurauta. Se on yleismateriaali, jolla on hyvät mekaaniset ominaisuudet ja laajat sovellusmahdollisuudet. Seostamalla saadaan valmistettua korroosionkestäviä, kuumalujia, sitkeitä ja painetiiviitä rakenteita. Lämpökäsittely parantaa lujuut-ta.

Austeniittiset pallografiittivalurautalajit standardissa SFS-EN 13835:en14 Pallomaisia grafiittikiteitä austeniittisessa matriisissa. Austeniittinen matriisi tuotetaan seostamalla rautaan nikkeliä (Ni), mangaania (Mn) ja kuparia (Cu). Austeniittisissa pallografiittivaluraudoissa on korroosionkestäviä, kuumalujia, painelaitteisiin sopivia ja kylmäsitkeitä lajeja sekä lajeja, joiden lämpöpiteneminen on hyvin vähäistä. Standardin SFS-EN 13835 sisältämät lajit on lueteltu jäljem-pänä taulukossa (Taulukko 3).

13 SFS-EN 1563 - Valut. Pallografiittivalurauta.

14 SFS-EN 13835:en - Founding. Austenitic cast irons.



Kuva 6. Vasemmalla: Martensiittia 50 x suurennoksena. Martensiitti on hiilen, raudan ja muiden seosaineiden muodostama rakenne, jossa hiili on sitoutunut kokonaan tai lähes kokonaan karbideiksi. Karbi-dien koostumus riippuu seosaineista. Ne voivat olla esimerkiksi rautakarbideja Fe3C tai raudan ja kromin karbideja (Cr,Fe)7C3. Oikealla: Bainiittia 50 x suurennoksena. Bainiitti on hiilen, raudan ja muiden seosai-neiden muodostama rakenne, jossa on vuorottelevia ferriitti- ja sementiittialueita neulasmaisina muodostelmina. Bainiittia on kahta tyyppiä ylä- ja alabainiittia.

Taulukko 3. Standardin SFS-EN 13835 sisältämien pallografiittivalurautalajien analyysi ja kuvaus ominaisuuksista.

C Si Mn Ni Cr P Cu

EN-GJSA-XNiCr20-2 max. 3,0 1,5 - 3,0 0,5 - 1,5 18,0 - 22,0 1,0 - 3,5 max. 0,08 max. 0,50Hyvät perusominaisuudet eli hyvä korroosion ja korkeiden lämpötilojen kesto.

EN-GJSA-XNiMn23-4 max. 2,6 1,5 - 2,5 4,0 - 4,5 22,0 - 24,0 max. 0,2 max. 0,08 max. 0,50 Erittäin sitkeä. Sitkeys säilyy -196 °C lämpötilaan saakka.

EN-GJSA-XNiCrNb20-2 max. 3,0 1,5 - 2,4 0,5 - 1,5 18,0 - 22,0 1,0 - 3,5 max. 0,08 max. 0,50Hyvät perusominaisuudet eli hyvä korroosion ja korkeiden lämpötilojen kesto. Hyvin hitsattavaa.

EN-GJSA-XNi22 max. 3,0 1,0 - 3,0 1,5 - 2,5 21,0 - 24,0 max. 0,5 max. 0,08 max. 0,50Välttävät perusominaisuudet. Hyvä sitkeys, joka säilyy -100 °C lämpötilaan saakka.

EN-GJSA-XNi35 max. 2,4 1,5 - 3,0 0,5 - 1,5 34,0 - 36,0 max. 0,2 max. 0,08 max. 0,50Kaikista valuraudoista pienin lämpöpitenemiskerroin. Hyvä kestävyys lämpöshokeille.

EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 max. 2,0 4,0 - 6,0 0,5 - 1,5 34,0 - 36,0 1,5 - 2,5 max. 0,08 max. 0,50Kestää erittäin hyvin korkeita lämpötiloja. Sitkeä ja virumisenkestävä materiaali.

EN-GJSA-XNiMn13-7 max. 3,0 2,0 - 3,0 6,0 - 7,0 12,0 - 14,0 max. 0,2 max. 0,08 max. 0,5 Perusmateriaali.

EN-GJSA-XNiCr30-3 max. 2,6 1,5 - 3,0 0,5 - 1,5 28,0 - 32,0 2,5 - 3,5 max. 0,08 max. 0,5

Hieman paremmat perusominaisuudet. Matalahko lämpöpitenemiskerroin. Lämpötilankesto paranee Mo-seostuksella.

EN-GJSA-XNiSiCr30-5-5 max. 2,6 5,0 - 6,0 0,5 - 1,5 28,0 - 32,0 4,5 - 5,5 max. 0,08 max. 0,5Kestää erittäin hyvin korroosiota ja korkeita lämpötiloja. Matalahko lämpöpitenemiskerroin.

EN-GJSA-XNiCr35-3 max. 2,4 1,5 - 3,0 0,5 - 1,5 34,0 - 36,0 2,0 - 3,0 max. 0,08 max. 0,5

Vastaavat ominaisuudet kuin EN-GJSA-XNi35, mutta korkeiden lämpötilojen kesto on parannettavissa Mo-seostuksella.


Ominaisuudet



Kuumalujat ferriittiset pallografiittivalurautalajit standardissa SFS-EN 1612415 Standardi sisältää runsaalla piillä ja molybdeenilla seostettuja kuumalujia pallografiittivalurautala-jeja. Matriisin tulee olla yli 85 % osuudella ferriittinen ja karbideja saa olla maksimissaan 5 %. Piiseostus nostaa yli 100 celsiusasteella lämpötilarajaa, jossa ferriitti muuttuu austeniitiksi. Kun piitä seostetaan tavanomaiseen pallografiittivaluraudan koostumukseen 4 %, ferriitti muuttuu austenii-tiksi noin 815 °C lämpötilassa. Kun seostus on 5 %, lämpötilaraja on jo noin 870 °C. Molybdeeniseostuksen vaikutuksesta muodostuu rakennetta lujittavia karbideja, jotka pysyvät stabiileina korkeissakin lämpötiloissa.

Austemperoitu pallografiittivalurauta SFS-EN 156416 Pallomaisia grafiittikiteitä austeniittis-ferriittisessä matriisissa. Matriisi tuotetaan lämpökäsittele-mällä. Materiaalilla on erittäin hyvät, jopa teräksen veroiset mekaaniset ominaisuudet. Lujimman lajin murtolujuus on parhaimmillaan luokkaa 1400 MPa.

Tylppägrafiittivalurauta SFS-EN 1607917 Grafiittirakenne on kontrolloidusti epätäydellisesti palloutunutta grafiittia. Tylppägrafiittivalu-raudalla on paremmat mekaaniset ominaisuudet kuin suomugrafiittivaluraudalla. Kestää hyvin lämpöshokkeja.

Valkoinen eli grafiititon valurauta SFS-EN 1251318 Valkoinen valurauta on valurautalaji, jossa hiili on sitoutunut kokonaan karbideiksi. Grafiittia ei esiinny ollenkaan. Kovaa ja haurasta, mutta kestää hyvin kulutusta. Adusoitu valurauta valmiste-taan valkoisesta valuraudasta lämpökäsittelemällä.

Standardi SFS-EN 12513 sisältää seostamattomia, nikkelillä ja kromilla seostettuja ja Kulumiskestä-vät valuraudat ovat kromilla (Cr) ja nikkelillä (Ni) tai runsaasti kromilla seostettuja valkoisia valurautoja.

Taulukko 4. Standardin SFS-EN 12513 sisältämien, nikkelillä ja kromilla seostettujen kulumiskestävien valurautojen analyysi.

C Si Mn P max. S max. Ni Cr

EN-GJN-HB480 2,5 - 3,0 max. 0,8 max. 0,8 0,1 0,1 3,0 - 5,5 1,5 - 3,0

EN-GJN-HB500 2,4 - 2,8 1,5 - 2,2 0,2 - 0,8 0,06 0,06 4,0 - 5,5 8,0 - 10,0

EN-GJN-HB510 3,0 - 3,6 max. 0,8 max. 0,8 0,1 0,1 3,0 - 5,5 1,5 - 3,0

EN-GJN-HB555 2,5 - 3,5 1,5 - 2,5 0,3 - 0,8 0,08 0,08 4,5 - 6,5 8,0 - 10,0

EN-GJN-HB630 3,2 - 3,6 1,5 - 2,2 0,2 - 0,8 0,06 0,06 4,0 - 5,5 8,0 - 10,0


15 SFS-EN 16124 Valut. Niukkaseosteiset kuumalujat ferriittiset pallografiittivaluraudat.

16 SFS-EN 1564 - Valut. Austemperoitu pallografiittivalurauta.

17 SFS-EN 16079 - Valut. Tylppägrafiittivaluraudat.

18 SFS-EN 12513 - Valut. Kulumiskestävät valuraudat.



Taulukko 5. Standardin SFS-EN 12513 sisältämien, runsaasti kromilla seostettujen kulumiskestävien valurautojen analyysi.

C Si max. Mn P max. S max. Cr Ni max. Mo max. Cu max.

EN-GJN-HB555(XCr11) 1,8 - 3,6 1 0,5 - 1,5 0,08 0,08 11,0 - 14,0 2 3 1,2

EN-GJN-HB555(XCr14) 1,8 - 3,6 1 0,5 - 1,5 0,08 0,08 14,0 - 18,0 2 3 1,2

EN-GJN-HB555(XCr18) 1,8 - 3,6 1 0,5 - 1,5 0,08 0,08 18,0 - 23,0 2 3 1,2

EN-GJN-HB555(XCr23) 1,8 - 3,6 1 0,5 - 1,5 0,08 0,08 23,0 - 30,0 2 3 1,2


Adusoitu valurauta SFS-EN 156219 Temperrauta. Valmistetaan valkoisesta valuraudasta lämpökäsittelemällä. Lämpökäsittely saa karbideiksi kiteytyneen hiilen muodostamaan liuskamaisia, pyöreitä grafiitti muodostelmia, joita kutsutaan temperhiileksi.

Adusoitua valurautaa on kahta tyyppiä: mustaydinrautaa ja valkoydinrautaa. Vastaa ominaisuuk-siltaan pallografiittivalurautaa. Valkoydinrauta valmistetaan lämpökäsittelemällä valkoinen valurauta hiiltä sitovassa atmosfäärissä. Materiaalin pintakerroksesta muodostuu sitkeä ja vähähii-linen. Pintakerros on pääosin ferriittiä. Sisäosat ovat pääosin perliittiä ja niissä on runsaasti grafiittia temperhiilen muodossa. Näiden välillä on kerros, jonka rakenne ferriittiä, perliittiä ja temperhiiltä.

Mustaydinrauta valmistetaan lämpökäsittelemällä valkoinen valurauta tavanomaisessa atmosfää-rissä siten, että muodostuu temperhiiltä joko ferriittisessä tai perliittisessä matriisissa.

Kuva 7. Vasemmalla: Adusoitu valkoydinrauta 100 x suurennoksena. Valkoydinraudan matriisin koostumus vaihtelee siten, että materiaalin pintakerros on vähähiilinen koostuen pääosin ferriitistä. Sisäosissa on liuskamaisiksi pyöreiksi muodostelmiksi kiteytynyttä grafiittia ferriittis-perliittisessä tai lähes kokonaan perliittisessä matriisissa. Kuvassa olevat vaaleat alueet ovat ferriittiä ja tummat perliittiä. Kuva: Eisenbeisser, GFDL 1.2, http://commons.wikimedia.org/. Oikealla: Adusoidusta mustaydinraudasta valmistettu valukappa-le. Tekijä: Andreas Mühlhausen (Oma teos) CC BY-SA 2.5], lähde: Wikimedia Commons

19 SFS-EN 1562 - Valut. Adusoidut valuraudat.



Valuteräkset Hiilipitoisuus vaikuttaa teräksen mikrorakenteeseen yhdessä seosaineiden ja lämpökäsittelyjen kanssa. Hitaasti jäähtyneissä niukkaseosteisissa, niukka- tai keskihiilisissä teräksissä hiili esiintyy puhtaina perliittimuodostelmina ferriittikiteiden sisällä. Runsashiilisissä teräksissä alkaa perliittiki-teiden raerajoille erkautua sementiittikiteitä. Niukkaseosteisilla teräksillä ei tasapainotilanteessa (hidas jäähtyminen) esiinny austeniittia (Kuva 5), mutta runsas nikkeliseostus stabiloi austeniittisen mikrorakenteen myös huoneenlämpötilassa.

Kuva 8. Ferriittis-perliittinen rakenne teräksessä. Mikroskooppikuvat 50 x suurennoksina. Tummat alueet ovat perliittiä ja vaaleat ferriittiä. Ferriitti on eräs puhtaan raudan olomuodoista. Se liuottaa maksimis-saan vain noin 0,02 paino- % hiiltä noin 730 °C lämpötilassa. Huoneenlämpötilassa hiilen liukoisuus on olematon. Perliitti on raudan ja hiilen muodostama mikrorakenne, joka sisältää vuorotteleviksi lamelleiksi kiteytynyttä ferriittiä ja raudan ja hiilen yhdistettä, rautakarbidia eli sementiittiä (Fe3C).

Nopealla jäähtymisellä ja sopivalla seostuksella on mahdollista valmistaa martensiittinen tai bainiit-tinen mikrorakenne (Kuva 6). Molemmat ovat tavallista ferriittis-perliittistä mikrorakennetta kovempia ja lujempia. Tavallisimmin valettavat teräkset ovat yleiset rakenne- ja nuorrutusteräksiä. Seosaineet ja lämpökäsittelyt vaikuttavat voimakkaasti kappaleiden työstettävyyteen.

Teräksiin voidaan muodostaa seosaineilla runsas kirjo erilaisia ominaisuuksia. Valuteräkset jaotel-laan käyttötarkoitusten ja näiden ominaisuuksien mukaan seuraavasti:

Painelaiteteräkset standardissa SFS-EN 1021320 Esimerkiksi kylmäsitkeitä tai kuumalujia teräslajeja. Kylmäsitkeät valuteräkset ovat yleensä niukka- tai erittäin niukkahiilisiä sekä niukka- tai runsasseosteisia. Pääasiallinen seosaine on mangaani. Iskusitkeys varmennetaan alennetuissa lämpötiloissa. Kuumalujat valuteräkset ovat niukkahiilisiä ja niukka- tai runsasseosteisia. Niukkaseosteisissa lajeissa käytetään seosaineina kromia, mangaa-nia, vanadiinia ja molybdeenia. Virumisominaisuudet on varmennettava kuumavetokokeella.

20 SFS-EN 10213 - Painelaiteteräkset. Valuteräkset.



Korroosionkestävät valuteräkset standardissa SFS-EN 1028321 Korroosionkestävät valuteräkset ovat aina runsasseosteisia. Kromipitoisuus on yli 11,5 %. Usein myös runsas nikkeliseostus sekä molybdeenia lisäämässä pelkistävien olosuhteiden kestoa.

Valetut yleiset rakenneteräkset standardissa SFS-EN 1029322 Yleensä niukkahiilisiä ja niukkaseosteisia. Yleisimmät seosaineet ovat mangaani, kromi, molybdeeni ja nikkeli. Käytetään edullisimpana ratkaisuna silloin, kun käyttöympäristö ei aiheuta suuria me-kaanisia tai kemiallisia rasituksia, runsaimmin seostettuja voidaan käyttää myös lievästi korrodoivissa olosuhteissa.

Tulenkestävät valuteräkset standardissa SFS-EN 1029523 Ovat aina runsasseosteisia. Suuret kromi- ja nikkelipitoisuudet ja pii max. 2,5 %. Hyvät hapettumis-kesto ja virumislujuus korotetuissa lämpötiloissa, mahdolliset käyttölämpötilat jopa 1200 °C.

Kulumiskestävät austeniittiset mangaanivaluteräkset standardissa SFS-EN 1034924 Pääasiallinen seosaine on mangaani. Pitoisuus vaihtelee välillä 6 – 19 %, tavanomaisin määrä on 11 – 14 %. Muina seosaineina käytetään molybdeenia, nikkeliä ja kromia.

Muut luokat Lujien hitsattavien valuterästen epäpuhtauspitoisuudet ovat paljon ns. jaloterästen raja-arvoja pienempiä.

Nuorrutettavat valuteräkset ovat yleensä keskihiilisiä ja niukkaseosteisia. Nuorrutus on kuitenkin yleinen lämpökäsittely kaikissa teräsryhmissä.

21 SFS-EN 10283 - Korroosionkestävät valuteräkset.

22 SFS-EN 10293 - Yleiset valuteräkset.

23 SFS-EN 10295 - Tulenkestävät valuteräkset.

24 SFS-EN 10349 - Valuteräkset. Austeniittiset mangaanivaluteräkset.



Liite: Tasapainopiirrokset ja moolijakaumat

Kuva 9. Fe-95%, C-3%, Cr-2%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-kromi-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-95%, C-3%, Cr-2%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirrok-sen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 – 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, CEMENTITE = rautakarbidi Fe3C, M7C3 = kromin ja raudan karbidi (Cr,Fe)7C3, M3C2 = kromikarbidi Cr3C2, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Kromi saa raudan muodostamaan hiilen kanssa sementiittiä korkeissa lämpötiloissa. Matalammissa lämpötiloissa esiintyy kromin ja raudan karbideja.



Kuva 10. Fe-87%, C-3%, Cr-10%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-kromi-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-95%, C-3%, Cr-10%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirrok-sen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 – 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, CEMENTITE = rautakarbidi Fe3C, M7C3 = kromin ja raudan karbidi (Cr,Fe)7C3, M3C2 = kromikarbidi Cr3C2, M23C6 = kromin ja raudan karbidi (Cr,Fe)20(Cr,Fe)3C6, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Kromi saa raudan muodostamaan hiilen kanssa sementiittiä korkeissa lämpötiloissa. Matalammissa lämpötiloissa esiintyy runsaasti kromin ja raudan karbideja.



Kuva 11. Fe-96%, C-3%, Ni-1%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-nikkeli-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-96%, C-3%, Ni-1%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirrok-sessa x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 – 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Nikkeli stabiloi austeniittia.



Kuva 12. Fe-87%, C-3%, Ni-10%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-nikkeli-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-86%, C-3%, Ni-10%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirrok-sen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 – 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Nikkeli stabiloi austeniittia.



Kuva 13. Fe-96%, C-3%, Mn-1%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-nikkeli-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-96%, C-3%, Mn-1%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapainopiirrok-sen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 – 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, CEMENTITE = rautakarbidi Fe3C, M7C3 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)7C3, M5C2 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)5C2, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Mangaani saa raudan muodostamaan hiilen kanssa sementiittiä korkeissa lämpötiloissa. Mata-lammissa lämpötiloissa esiintyy vähäisiä määriä mangaanin ja raudan karbideja.



Kuva 14. Fe-87%, C-3%, Mn-10%. Thermo-Calc ohjelmistolla laadittu rauta-nikkeli-hiili tasapainopiirros ja sen alla faasien mooliosuudet lämpötilan funktiona seokselle Fe-87%, C-3%, Mn-10%. Hiilen pitoisuus esitetään tasapaino-piirroksen x-akselilla ja se vaihtelee välillä 0 – 10 %. Molemmissa kaavioissa esitetään tasapainotila. Kuvassa LIQUID = sula, GRAPHITE = kiteytynyt hiili, CEMENTITE = rautakarbidi Fe3C, M7C3 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)7C3, M5C2 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)5C2, M23C6 = mangaanin ja raudan karbidi (Fe,Mn)20(Fe,Mn)3C6, FCC_A1 = pintakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (face centered cubic, FCC) oleva rauta eli austeniitti, BCC_A2 = tilakeskisessä kuutiollisessa kidemuodossa (body centered cubic, BCC) oleva rauta eli ferriitti. Mangaani saa raudan muodostamaan hiilen kanssa sementiittiä korkeissa lämpötiloissa. Matalammissa lämpötiloissa esiintyy runsaasti erilaisia mangaanin ja raudan karbideja.


Valurauta ja valuteräs - ValuAtlas · ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Valurauta ja valuteräs Seija Meskanen – Teknillinen korkeakoulu Tuula

Documents