FI118738B - Pallografiittivalurauta ja menetelmä pallografiittivaluraudan valmistamiseksi lujuutta ja sitkeyttä vaativia koneenrakennusosia varten - Google Patents

Description

118738

Pallografiittivalurauta ja menetelmä pallografiittivaluraudan valmistamiseksi lujuutta ja sitkeyttä vaativia koneenrakennusosia varten 5

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen pallogra-fiittivalurauta.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 7 johdanto-osan mukainen me-10 netelmä.

Tekniikan tasosta tunnetut tyypilliset pallografiittiraudan metalliset lähtöraaka-aineet ovat koneenrakennukseen tarkoitetun hiiliteräslevyn leikkauksesta sivutuotteeksi jäävät muodoltaan koneenrakennukseen sopimattomat osat eli teräsromu, 15 ohutlevyn leikkauksesta vastaavasti jäävät osat pakattuina ohutlevypaketeiksi eli pakettiromu. Lisäksi käytetään muissa raudanvalmistusprosesseissa tuotettua • · harkkorautaa. Valun toteuttamiseksi muotissa tarvitaan valukanavat ja syöttöku- • » ,*··, vut, jotka valun jälkeen on irrotettu kappaleesta ja käytetään kiertoromuna. Raaka- • ^ a • .·. aineet sulatetaan yleensä kupoli- tai induktiosulatusuuneissa. Koostumuksen täs- • tl ··· a : .·. 20 mentämiseksi sulaan lisätään seosaineita, kuten hiiletysainetta ja erilaisia fer-

··· S

.***. roseoksia.

« · a · · . ·*· Näissä tekniikan tason mukaisten sovellusten tyypilliset (esimerkiksi Valuraudat,

«M

:***· Valuteräkset, MET: Raaka-ainekäsikiija II) kemialliset koostumukset lujille pal- *·· ;·* 25 lografuttiraudoille EN-GJS 600-900 (standardi EN 1563) ovat • ·« • aa • • ·

Hiili 3,8-3,2 % • · ·

Pii 1,8-2,8 % • ·

Mangaani 0,1-0,8 % 30 Magnesium 0,040-0,065 % 2 118738

Pallografiittiraudan oleellinen sulakäsittely on ns. palloutus, jossa muutetaan hiilen erkautumisprosessin edellytyksiä, jotta raudasta erkautuva grafiitti muodostuu palloiksi ja joka toteutetaan joko senkkakäsittelynä tai muotin sisällä käyttäen magnesiumpitoista ja/tai cerium-pitoista ferropiiseosta tai nikkelimagnesiumia.

5 Magnesium reagoi rikin ja muiden epäpuhtauksien kanssa, mikä edistää grafiitin kasvua pallomaisena suomumaisen sijasta.

Toinen pallografiittiraudan sulakäsittely on ymppäys, jossa sulaan lisätään tyypillisesti rakeista ferropiiseosta kiteytymisytimien lisäämiseksi. Ymppäyksen tavoit-10 teenä on saada valurakenne hienojakoisemmaksi.

Pallografiittiraudan valurakenteeseen syntyy epätasaisesta jähmettymisestä ja jäähtymisestä johtuen sisäisiä jännityksiä. Vaativien käyttökohteiden koneenra-kennusosille tehdään yleensä jännityksenpoistohehkutus yli 600°C:n lämpötilas-15 sa. Mikäli materiaalin sisäisiä mikrorakenne-eroja halutaan tasoittaa suoritetaan perlitointikäsittely, jossa kappaleen lämpötila nostetaan 880-940°C:n lämpötilaan ja uunin mukana jäähdytään haluttuun perlitointilämpötilaan välillä 750-860°C, mistä kappale jäähdytetään ilmassa huonelämpötilaan.

• * · • · • · * · » * 20 Paperikoneiden rakenneosissa käytetään nykyisin yleisiä rakennemateriaaleja ku- • · · ten suomugrafiitdrautaa EN-GJL 150-350, pallografiittirautaa EN-GJS 370-900 • * i.i : (EN 1563), EN-GJS 800-1400 (EN-1564) sekä rakenneteräksiä ja nuoirutusteräk- • * ·.: · siä. Samoja materiaaleja käytetään muissakin vastaavissa koneenrakennussovel- • ·· luksissa.

25 • e ·.· j Merkittävimmät nykyisten materiaalien puutteet ovat seuraavat: • · · : - suomugrafiittiraudoilla ei saavuteta riittäviä lujuus- ja sitkeysomi- naisuuksia (lujuudet alle 350 kN/mm2 ja venymä n. 1 %) .···. - standardin mukaisilla pallografiittiraudoilla joudutaan riittävän ra- • · 30 kenteen jäykkyyden saavuttamiseksi mitoitukseltaan liian isoihin ja « · · ·;; · painaviin komponentteihin eikä niillä ole standardien mukaankaan • « ·. · ··· 3 118738 riittävää väsymislujuutta. Murtovenymälle ei määritetä arvoja lujimmille luokille yli 60 mm seinämille. Lisäksi standardin esittämät mekaanisten ominaisuuksien arvot eivät toteudu paksuseinä-mäisien kappaleiden sisäosissa.

5 - nuorrutusteräsosat on valmistettava takomalla, jolloin muotti- ja takomiskustannukset ovat korkeat ja runsas koneistustanne edelleen nostaa valmistuskustannuksia. Lujuus ja murtovenymä ovat tavoitellulla tasolla, mutta muotoiluvapauden puute ja pallografutti-rautaa epäedullisempi loviherkkyys huonontavat todellista käytän-10 non väsymislujuutta.

- valettavissa nuorrutusteräksissä sisäisen tiiveyden saavuttamisen vaikeus lisää sisäisten virheiden riskiä, mikä on otettava huomioon komponenttien mitoituksessa suurempana varmuutena, mikä nostaa kustannuksia, 15 - erikoispallografiittivalurauta ADI (tyypillisesti) eli EN-GJS-800-8 (EN-1564) saavuttaa riittävät mekaaniset ominaisuudet erillään valetussa vetosauvassa, mutta sen lastuava työstö on kovuuden takia erittäin hankalaa ja ADI:n valmistaminen yli 1000 kg painoisin ja ··· 200 mm:n seinämäisinä kappaleina on teknistaloudellisesti vaike-ί 20 aa. Standardien mukaiset mekaaniset arvot on määritelty erillään • · · : : valetulla koesauvalla.

··· ; : - nuoirutusterästen ja ADI:n valmistusprosessiin kuuluvissa lämpöjä': käsittelyissä käytetään tyypillisesti joko öljy-tai suolakylpyuune- :***: ja, joista syntyvät päästöt ja jätteet vaikuttavat haitallisesti ympä- 25 ristöön • ♦ • · · ♦ · ♦ ♦ e· · : * * *: Paperikoneiden osat joutuvat erittäin kovalle mekaaniselle ja väsyttävälle rasituk- ·»· \ selle alttiiksi. Sekä paperikoneiden että paperin jälkikäsittelykoneiden nopeudet • · ... ovat kaksin- ja kolminkertaistuneet viimeisten kymmenien vuosien aikana. Esi- S · 7 30 merkiksi jälkikäsittelykoneiden paperin ratanopeudet ovat nousseet tasolta 600 • · ; m/min tasoille yli 2000 m/min eikä kehitys ole pysähtynyt.

• * · • · • · ··· 4 118738

Koneenosilta, kuten laakeripesät, laakeripukit, akselitapit ja kannatinvivut, vaaditaan entistä koikeampia murtolujuuksia, myötörajaa ja venymää sekä väsymislujuutta. Materiaalin ominaisuudet läpi kappaleen eri paksuisissa seinämissä on oltava mahdollisimman tasalaatuiset.

5

Kaikki tämä tulee saavuttaa materiaalilla, jonka valmistusmenetelmä antaa täyden muotoiluvapauden liikkuvien massojen minimoimiseksi ja jonka lastuttavuus on suhteellisen hyvä tavanomaisin menetelmin. Aihion valmistukseen tarvittavien työkalujen, kuten mallien ja muottien, valmistustapa on mahdollisimman yksin-10 kertainen ja nopea lyhyiden projektin läpäisyaikojen saavuttamiseksi. Takeiden muottien valmistusajat venyvät usein kuukausiksi ja vapaassa ja muottitaonnassa muotoiluvapaus on käytännössä valuun verrattuna rajallisempi. Hiekkavalun tarvitsemien puisten, muovisten tai vastaavien mallivarustusten tekemiselle riittää oleellisesti lyhyemmät ajat.

15

Tekniikan tasosta ei tunneta edellä kuvatun kaltaista materiaalia ja keksinnön päämääränä onkin saada aikaan edellä kuvatut ominaisuudet ja taipeet olennaisesti täyttävä materiaali, jossa tekniikan tasosta tunnettujen materiaalien epäkohdat ·· •... · vaativien koneenosien, esimerkiksi paperi- tai kartonkikoneiden osien kannalta on *·1 2 3 · 20 eliminoitu tai ainakin minimoitu.

• 1· • · ·1· :.· 1 Keksinnön päämääränä on luoda uusi paUografiittivalurautalaji, jolla on uudet * » ·,· | poikkeukselliset materiaaliominaisuuksien yhdistelmät.

• · · • · · • · · 25 Keksinnön päämääränä on myös saada aikaan valmistusprosessi, jolla mainitut ! (! ominaisuudet pallografiittivaluraudalle on saavutettavissa.

• · · • · • ·»«

Edellä esitettyjen ja myöhemmin esille tulevien päämäärien saavuttamiseksi on • · ,···, keksinnön mukaiselle pallografiittivaluraudalle pääasiallisesti tunnusomaista se, • · *·1 30 mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

• · • · • ♦ · ··· · · · • · 2 • · 3 5 118738

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on puolestaan pääasiallisesti tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaisesti on saatu aikaan uusi pallografiittivalurautalaji käytettäväksi 5 esimerkiksi paperi- tai kartonkikoneen osissa, jolla on poikkeukselliset mekaaniset ominaisuudet, ja se on muihin vastaavantasoiset lujuusominaisuudet antaviin materiaaleihin verrattuna edullisemmin ja ympäristöystävällisemmin valmistettavissa.

10 Keksinnön mukaisesti on saatu aikaan erittäin hyvä pallografiittivalurautalaji paperi- tai kartonkikoneen osia varten, joka on teknistaloudellisesti edullisimmin hiekkamuottivaluna valettava erikoispallografiittirauta, jolla - valettavuus on hyvä, jolloin muotoiluvapaus toteutuu ja valu on tii-15 vis, ... - vetomurtolujuus, myötöraja ja väsymislujuus on nuorrutusterästen • ♦ tasoa sekä mekaaniset arvot paksuseinämäisestä kappaleesta irti- • · ··. leikatuista koesauvoista antavat ainakin samat arvot kuin erillisva- j letut koesauvat ADI - pallografiittiraudoilla ja • · * ··· · : 20 - taloudellinen lastuttavuus ei tuo vaikeutta nykytekniikalla, • · · ··· · .···. - lastuava työstö on teknistaloudellisesti hyvä, koska kovuus on pää- sääntöisesti alle 300 HB, • .·. - mahdollisesti tarvittava lämpökäsittely toteutetaan ilman öljy- tai ·"*· suolakylpyä hallittavissa olevalla edullisella ilmalla, vedellä tai ve- .·] 25 sisumulla lisättynä halutuilla ympäristön kannalta harmittomilla li- • ·· ,···. säaineilla sekä • · ·♦· , - ympäristöystävällisyys on hyvä, koska voidaan käyttää myös kier- • * * *". * rätettävää materiaalia.

* · • ·

«M

30 Keksinnön mukaisesta pallografiittivalurautalajista valmistettu aihio on mittatar-kempi vapaa taontaan verrattuna koneistuksen kannalta, jolloin saavutetaan kus- 6 118738 tannussäästöjä. Uuden poikkeuksellisen edullisen ominaisuusyhdistelmän omaavalla pallografiitdraudalla saavutetaan vaihtoehtoisiin koneenrakennus-materiaaleihin verrattuna edullisemmalla ja ympäristöystävällisemmällä tavalla parhaat mekaaniset ominaisuudet.

5

Keksinnön mukaisen pallografiittivalurautalaj in mekaanisten ominaisuuksien yhdistelmässä: - myötöraja on paksuseinämäisenkin ( yli ISO mm) kappaleen seinämän läpi säädettävissä yli 500 N/mm2:stä aina 750 N/mm2 valu- 10 prosessia ja lämpökäsittelyprosessia muuntelemalla ja samalla - venymä on sadettavissa valuprosessia ja lämpökäsittelyprosessia muuntelemalla 4 %:sta aina 8 %:iin sekä * - vetomurtolujuus on säädettävissä aina 1000 N/mm asti - samalla väsymisraja kiertotaivutuksessa on säädettävissä alueelle 15 300-420 kN/mm2

- kappaleen kovuus läpi kappaleen on pääsääntöisesti 260-300 HB

- iskusitkeysstandardin mukaisella SharpV sauvalla 4-9 J / mm2 -20°C

··· • · • · «*· * * 20 Keksinnön mukaisen pallografiittivalurautalaji on nykyisistä pallografiitti- ··· *...’ raudoista poikkeava hienoraepallografiittivalurauta (FGDI) (fine grain ductile • · :.: : iron): • · :.: : - metallimatriisi koostuu hienolamellisesta perliitistä sekä hienora- ·«· •...: keisesta perliittis-ferriittisestä tai bainiittis-ferriittisestä rakenteesta, 25 joiden perliitin ja bainiitin lamelliväli on alle Ι,Ομιη (tyypillisesti • · ♦.: · alle 0,4pm) sekä ferriitistä, joka on perliittisessä ladussa raerajoilla haluttuina vyöhykkeinä ja bainiitdsessa rakenteessa neulasmaisena ..... tai kampamaisena rakenteena raerajojen läheisyydessä ja bainiitin .***. lomassa • · ♦ ·· , 30 - karbideja rakenteessa ei esiinny yli 1 %, • · e • · · ***.’ - jäännösausteniittia itse rakenteessa ei yleensä esiinny, •. · • · ' ··· ' 7 118738 - grafiittipallojen palloutumisaste on yli 85% (tyypillisesti yli 95%) ja pallotiheys seinämäpaksuudesta riippuen on tyypillisesti 150-400 kpl/xnm2 näytteen leikkauspinnassa 5 Keksinnön mukaisen menetelmän mukaisessa hienorakeisen pallografiittiraudan valmistusprosessissa - raaka-ainepohjan valinnalla ja seostuksella saadaan aikaan koostumus, jossa hienorakeisen mikrorakenteen syntymiselle luodaan ensimmäinen edellytys, tärkeimmät seos- ja hivenaineet ovat Si, 10 Mn,S, Cu,Ni,Mo,Mg, TijaCe.

- lisäksi hienorakeisuuteen edullisesti vaikuttavat Nb, La, Bi, Sn ja B.

- sulakäsittelyissä eli pallografiittiraudan palloutuksessa ja kiteyty-misytimiä luovassa ymppäyksessä luodaan suuri pallotiheys ja pie- 15 ni perinnäinen valutilainen austeniittinen raekoko, mikä luo toisen perustan hienorakeisuudelle.

- lämpökäsittelyssä lämpötilan hidas nosto (50°C/h)tehdään perinteisesti, jotta vältetään jännitykset ja vetelyt. Austenointi suorite- * · '···] taan atmosfääriuunissa lämpötilassa 880-960°C.

20 - austenoinnin jälkeen kappale saatetaan lämpötila-alueelle 840- • · ]···* 760°C, jolloin kappaleen lämpösisältö pienenee edesauttaen nope- • *** j·* * aa sammutusta samalla voidaan säädellä erinomaisen sitkeyden ja • ·'* ••j · väsymislujuuden saavuttamiseksi tarvittava ferriitti perliitin ja bai- • · * · · · * niitin ympärillä.

25 - tämän jälkeen suoritettava sammutus tehdään ohjatusti koostumuk- • i » : sen mukaan sellaisella nopeudella että perliittisessä ja ferriittis- a · *···* perliittisessä laadussa saavutetaan riittävän hieno perliittirakenne *:**: (lämpötilaväli 800-600°C ajassa esimerkiksi 3-15 minuuttia koos- :]**: tumuksesta, kappalekoosta, seinämäpaksuudesta ja tavoitelluista 30 ominaisuuksista, esimerkiksi lujuudesta riippuen) ja bainiittis- • · ♦ ·«· « ,···, fenuttisessä rakenteessa saavutetaan tiheä ferriittineulasten ja erit- • · # * · 8 118738 täin hieno bainiittirakenne (alle 5 minuuttia). Nopea jäähdytys on edullinen hienorakeisen pallografiittivaluraudan ominaisuuksille.

- oikean austensitin hajaantumislämpötilan ja pitoajan (bainitointi) valinta ja hallinta on neljäs perusasia hienorakeisen matriisin saa- 5 vuttamisessa. Perliittinen rakenne kehittyy pääosin perliittialueen alalämpötiloissa. Bainiittisen lajin rakenne kokonaan bainiittialu-eella. Tyypillisesti 290-550°C, mutta koostumuksesta riippuen voi olla 100-600°C. Austeniitin hajaantuminen matalissa lämpötiloissa on hitaampaa kuin ylemmissä lämpötiloissa, mistä seurauksena on 10 hienorakeinen matriisi.

- austeniitin täydellinen hajaantuminen ja rakenteen jännityksettö- myys ja hyvä koneistettavuus varmistetaan päästöllä, johon kappale lämmitetään hitaasti bainitointi- tai perlitointilämpötilasta pääs-tölämpötilaan 520-720°C välille koostumuksesta ja kappaleen pak- 1S suudesta sekä tavoiteltavasta lujuudesta riippuen.

- lämpökäsittelyn lopuksi kappale jäähdytetään huoneenlämpötilaan hallitusti(mielellään esim. 50°C/h) huonelämpötilaan.

• · ·

Keksinnön mukaisen pallografiittivalurautalajin valmistuksessa käytetään edulli- » *: * *: 20 sesti FI-patenttihakemuksessa 20011954 kuvattua hallitusti ohjattua lämpökäsitte- « *· i,,.: lymenetelraää.

• · • · · • · · • · · · • · ·.· · Keksinnön mukaisesti on saatu aikaan pallograiiittivalurautalaji, jonka ominai- • a · : ((t suuksia voidaan varioida hallitusti koostumusta ja valmistusprosessia sekä lämpö- 25 käsittelyä säätämällä.

* * • · · • * · • · · · t "! Keksinnön mukaisen hienoraepallografiittivaluraudan (FGDI) materiaalimerkin- nät mm. ovat vetomurtolujuuden mukaan mukaillen standardia EN-1563: • · , · · *. GJS-FGDI-P-850/500-5C-HB280-H, joka on perliittinen laji ·_ 30 GJS-FGDI-BF-850/600-5C-HB280-H, joka on bainiittis-perliittinen laji, · GJS-FGDI-BF-750/600-7C-HB250-H, joka on bainiittis-feniittinen laji, • · · • · · 9 118738 GJS-FGDI-PF-850/500-7C-HB280-H, joka on perliittisferriittinen laji ja GJS-FGDI-P-900/550-4C-HB290-H, joka on täysin perliittinen laji.

Keksinnön mukaisella hienoraepallografiittivaluraudalla (FGDI) saavutettavat S ominaisuudet kappaleessa Jonka seinämävahvuus on esim. 30 ... 300 mm

Rm (Murtolujuus) 450... 1000 N/mm2 kappaleesta otetusta vetosauvasta Rp0,2 (Myötöraja) 300... 750 N/mm2 kappaleesta otetusta vetosauvasta A3 (Murtovenymä) 10... 4% kappaleesta otetusta vetosauvasta 10 δ (Väsymislujuus) 300... 420 N/mm2 kappaleesta otetusta vetosauvasta Kovuus 250... 320 HB kappaleesta otetusta vetosauvasta

Keksinnön mukaisen pallografiittivalurautalajin kovuus on läpi kappaleen alueella 250 ... 320 HB eikä kovia faaseja esiinny merkittävässä määrin, jolloin lastutta-15 vuus on hyvä läpi kappaleen.

Keksinnön mukaisen pallografiittivalurautalajin väsymislujuus on määritetty kierto-taivutus -väsymislujuutena. Vertailussa on otettava positiivisena seikkana :a><: huomioon keksinnön mukaisen hienoraepallografuttivaluraudan (FGDI) teräksiin *:*·: 20 venattuna vähäinen loviherkkyys.

ti* • t • · • t» : Keksinnön mukaisella hienoraepaUografnttivaluraudalla (FGDI) johtuen tasaises- j :*: ta valun jälkeisestä mikrorakenteesta ja lämpökäsittelyn edelleen tasoittavasta ··· · "*: vaikutuksesta rakenne on samanlaista läpi kappaleen tai haluttaessa valmistuspro- ··· 25 sessilla voidaan toteuttaa funktionaalinen rakenne eli pinta- ja sisäosat erilaiset • ;*: (tarvittaessa mikrorakenne voidaan myös ohjata). Valuteknisillä ratkaisuilla kuten

Ml · ;***; jäähdytysrautojen sijoittelulla ja muotin täyttymisen hallinnalla parhaat ominai- • · · « suudet ja vähäisimmät riskit sijoitetaan vaativimmille alueille kappaleessa.

• · • · · • · • · ··· • · φ · · • · · • M *

III

« * • ·

III

10 118738 Tämä edullisesti varmennetaan valun etukäteisellä täyttymisen ja jähmettymisen tietokoneavusteisella simuloinnilla, millä voidaan varmentaa ennakolta valmistusprosessin onnistuminen, millä saavutetaan aika-ja materiaalisäästöjä.

S Keksinnön edullisen sovelluksen mukaisesti valutapahtuman hallinta suunnitellaan tietokoneavusteisella simuloinnilla, jossa muotin täyttyminen sulalla ja sulan jähmettyminen ja jäähtyminen voidaan varmistaa. Tällöin valukappaleeseen ei synny sisäistä huokoisuutta eikä kuonasulkeumia heikentämään materiaalin ominaisuuksia ja aiheuttamaan pintavirheitä, jotka toimisivat murtuman alkukohtina.

10 Tietokoneavusteinen simulointi lämpökäsittelyohjelman tarkistus, jossa lämpökäsittelyn simuloinnilla varmistetaan lämpökäsittelyn oikeellisuus; todennetaan lämpökäsittelyn sopivuus laaturiskejä erityisesti piensarja-ja yksittäistuotannossa.

Keksinnön mukainen pallografiittiraudan valmistusprosessi poikkeaa useassa suh-15 teessä normaaleista pallograiiittiraudan valmistusprosesseista. Seuraavassa on merkittävimmät erot kuvattu.

Yleensä parhaana metallisena sulatusmateriaalina pidetään pallografiittiraudan ;" 1: valmistukseen myytävää harkkoa. Keksinnön mukaisessa valmistuksessa sitä käy- • · · ·;··; 20 tetään mahdollisimman vahan, sillä yleisimmät kaupalliset laadut ovat titaanioksi- din eli valkoisen maalin pigmentin valmistuksen sivutuotteita ja sisältävät liian • · | ;2: paljon haitallisia metalleja, kuten titaani, kromi, vanadiini, molybdeeni sekä fosfo- ··» · | ri. Lisäksi keksinnön mukaisesti valmistukseen käytetään puhtaimpia teräslaatuja ··· · .3· sekä puhtaimpia seosaineita. Teräslevykierrätysmateriaalin käyttö on ympäris- * 1 e 25 töystävällisempää ja kustannuksiltaan edullisempaa. Oleellisessa osassa ovat ylei- : sen valimoanalysaattoritarkkuuden ulkopuolella olevat hivenaineet, kuten niobi, • · # · vismutti, lantaani jne.

• · ·

Keksinnön mukaisessa menetelmässä sulatuksessa pidetään sulatuslämpötila tar- • · * 1 1 1 30 kasti alle 1520°C ja panostus suoritetaan niin, että sulatusaika on mahdollisimman • 1 1 · • 1 · i«1 · · · • « 2 • · 3 • · · 11 118738 lyhyt. Hapettumisen estämiseksi sulatuksessa on eduksi käyttää suojakaasua tai vakuumikäsittelyä suojakaasussa mahdollisten valuvirheiden eliminoimiseksi.

Magnesiumkäsittely voidaan toteuttaa mm: S 1 2 3 senkkakäsittelynä magnesiumpitoisella käsittelyaineella suojakaa sussa tai ilman suojakaasua - puhdasmagnesiumilla konvertterissa - magnesiumseoksella kammiokäsittelyssä, - muotinsisäisessä käsittelyssä.

10 Jähmettymisen jälkeisen mikrorakenteen saamiseksi hienorakeiseksi suoritetaan valua ennen tai valun yhteydessä jähmettymisytimien lisäys eli ymppäys esimerkiksi ferropiiseoksella. Rakenteen suositeltava raekoko, jota kuvaa grafiitin pallo-tiheys, on tyypillisesti 400 ... ISO palloa/mm2. Pallotiheyttä lisätään myös lisää-15 mällä muotin valupintaan jäähtymistä ja jähmettymistä nopeuttavia hyvän läm-mönjohtavuuden omaavia metallisia muotinosia eli kokilleja.

Keksinnön mukaisen materiaalin kemiallinen koostumus riippuu halutusta omi- :' 1': naisuusyhdistelmästä ja seinämän paksuudesta ja tyypillisesti se on seuraava: • · · ... : 20 ;"1· tyypillisesti edullisesti • · · : Hiili paino-% 3,60-2,80 3,40-2,90 ··· 1 : .1. Pii paino-% 1,30-2,60 1,30-1,90 .··1. Magnesium paino-% 0,065-0,025 0,055-0,035 25 Mangaani paino-% 0,80-0,10 0,40-0,20 ; .·. Kupari paino-% 0,10-1,60 0,60-1,20 .···, Nikkeli paino-% 0,20-2,00 0,40-0,80 • · • . Fosfori paino-% 0,030-0,005 0,001-0,005

Rikki paino-% 0,003-0,010 0,005-0,008 • · • · _ _ ··· 30 • · • · · • · « • · · · 1 · 2 • « 3 12 118738

Kromi (Cr), Titaani (Ti), Vanadiini (V), Wolfiami (W), Molybdeeni (Mo), Koboltti (Co), Lyijy (Pb), Tina (Sn), Cerium (Ce) ja Vismutti (Bi) vähäisessä määrin.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä lämpökäsittelyssä materiaali ensin austenoi-5 daan 880-960°C:ssa vähintään 1 tunti + 1 tunti/25 mm seinämäpaksuutta kohden. Tavoitteena on kaikkien karbidien ja muiden matriisista poikkeavien faasien liuottaminen austeniittiin. Jatkoksi suoritetaan atmosfaäriuunissa lämpötilan lasku ohjatusti ja hallitusti ja tasoitus 800-850°C:n tasolle, minkä jälkeen suoritetaan nopea ohjattu jäähdytys lämpötilaan 650-100°C, jossa tapahtuvan 2.. 4 tunnin lam-10 pötilan tasoituksen jälkeen kappaleen lämpötila pidetään valitussa lämpötilassa, mikäli päästö on samassa lämpötilassa mihin sammutettiin, tai nostetaan päästö-lämpötilaan 550...750°C riippuen koostumuksesta. Päästölämpötilassa kappaleita pidetään 2...8 tuntia, minkä jälkeen jäähdytetään huonelämpötilaan. Sopivimmin käytetään koko lämpökäsittelyn ajan suojakaasua.

15

Keksinnön mukaisen pallografiittivaluraudan mikrorakenteeksi saadaan lämpökäsittelyn valinnasta riippuen kolme perusrakennetta: - hienolammellinen täysin perliittinen mikrorakenne grafiittipalloi-

• M

neen (Monifaasiväliainesammutus) *** * 20 - neulasmaista ferriittiä ja hienolamellista bainiittia grafiittipalloi· ♦ *· ·...· neen (Nopeasti sammuttavaan väliaineeseen) • · : - ferriittiä ja hienolamellista perliittiä grafiittipalloineen (Nopea • · :.· i jäähdytys atmosfäärissä) • · • · *·· 25 Mikrorakenteen ohjailu tapahtuu koostumuksen ja lämpökäsittelyn avulla hallitus- • ♦ ·,* · ti, jolloin haluttu mekaanisten ominaisuuksien yhdistelmä voidaan saavuttaa kul- * · lekin kappaleelle.

« • · . · · ·, Keksinnön eräiden edullisten lisäpiirteiden mukaisesti keksinnön mukaisesta ma- • · II» 30 teriaalista valmistettavat kappaleet simuloidaan muotin täyttymisen, sulan jähmet- • · · ' tymisen, grafiitin pallotiheyden ja mahdollisten karbidifaasien ja kovuuden ennä- • · • · · * 13 118738 koimiseksi ja koostumuksen täsmentämiseksi tietokoneavusteisella simulointioh-jelmalla, johon materiaaliarvot on ohjelmoitu. Mekaanisten ominaisuuksien vaatima läxnpökäsittelyohjelma tarkistetaan tietokoneavusteisella simuloinnilla etukäteen. Simuloinnin käytön tarkoituksena on ennalta ehkäistä virheelliset tuotteet S materiaali-, kustannussäästöjen saavuttamiseksi ja valmistusaikataulun suunnitelluksi toteuttamiseksi. Nämä edut korostuvat yksittäis- ja piensarjatuotannossa. Valun jälkeen valun tiiveys tarkistetaan ultraäänitarkastuksella tai röntgenkuvauksella. Kovuus mitataan painaumamittarilla. Kemiallinen koostumus tarkastetaan valussa kappalekohtaisesta suhista. Jokaista kappaletta kohti vaietaan kiinnivaletut 10 koesauvat vetokokeita varten sekä eräkohtaisesti vertailukappale, joka edustaa varsinaista valukappaletta ja josta myös määritetään ainetta rikkovat testitulokset. Tämä näytekappale on vastaavasti simuloitu koekappaleen kappaletta edustavuuden varmistamiseksi. Edelleen edullisten lisäpiirteiden mukaisesti prosessissa sekä valutapahtuma että materiasalin mekaaniset ominaisuudet on mallinnettu ja 15 tietokoneavusteisesti simuloitu ennen lopullisen valuprosessin päättämistä.

Keksinnön mukaisesta hienoraepallografuttivaluraudasta (FGDI) koneen osia valmistettaessa pystytään käyttämään riittävän hyvät mekaaniset ominaisuudet antavaa valettavaa rautamateriaalia, jolloin voidaan koneenosan muoto ja mitoitus • * · • · · * · 20 on valittavissa vapaasti tarkoituksen mukaan eikä olla riippuvaisia esim. takomis- tai koneistusmenetelmän rajoituksista. Täsmällinen mitoitus mahdollistaa materi- • · · I aalinkäytön optimoinnin, näillä on merkitystä koko koneen valmistuksen, kulje- ··« * : tuksen ja käytön aikaiselle energian kulutuksen minimoinnille. Samalla mallien ja ·«· e . · ‘ . työkalujen mitoituksella voidaan valmistaa myös kevyempien kuormitusasteiden ·· 0 25 koneiden komponentit käyttämällä keksinnön mukaisen materiaalin lujuuden j ,·, alimpia arvoja ja vaativimpia kohteita varten keksinnön mukaisen materiaalin .·**, ylimpiä arvoja. Lujemmasta, sitkeämmästä ja väsymistä paremmin kestävästä sekä helposti koneistettavasta materiaalista valmistetut komponentit ja koneet ovat pienempiä, esim. raskaasti kuormitetun laakeripesän halkaisija on SOOmm, kun • · ***** 30 laakeripesä on keksinnön mukaisesta materiaalista, jos se olisi standardin mukais- | j j ta pallografiittiraudasta se olisi 650mm. Raskaasti kuormitetulle telalle, jonka hai- ·· • t • « ·»· 14 118738 kaisija 500mm, laakeripesän paino 500kg keksinnön mukaista hienoraepallogra-fiittivalurautaa (FGDI), jos standardin mukaista valurautaa paino 800-900kg.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetyn valamisprosessin ansiosta päästään 5 hyvin lähelle lopullista mitoitusta, mikä vähentää koneistuksen tarvetta verrattuna takeisiin. Samalla materiaalin ja energian kulutus minimoituvat.

Keksinnön mukaiselle hienoraepallografiittiraudoille (FGDI) poikkeuksellinen ominaisuuksien yhdistelmä eli korkea lujuus ja korkea myötöraja täydennettynä 10 hyvällä venymällä ja väsymislujuudella, kun samalla vielä lastuttavuus on hyvä. Yleensä pallografiittiraudoissa lujuus saavutetaan sellaisella seostuksella ja lämpökäsittelyttä, mikä huonontaa sitkeyttä ja lastuttavuutta. Keksinnön mukaisella hienoraepallografiittivaluraudalla (FGDI) on hyvä väsymislujuus paksustakin kappaleesta otetussa näytteessä. Tämä on seurausta keksinnön mukaisesta hieno-15 raepallografiittivaluraudan (FGDI) valmistusprosessista, missä luodaan edellytykset sille, ettei rakenteeseen muodostu rakennetta heikentäviä faaseja ja virhealuei-ta. Valuprosessissa luodaan sellaiset jähmettymisolosuhteet, että valurakenne syntyy tiiviinä, tasarakenteisena ja suuntautumattomana.

• · · • • · ··· • · · j 20 Kaikki keksinnön mukaisen paUografiittivaluraudan lujuusominaisuuksien vaihte- ·***: lu seinämävahvuuden suhteen ja kappaleesta toiseen on oleellisesti standardin ··· • ·*; mukaisia pallografiittirautoja pienempi, jolloin rakenteellisen mitoituksen var- M· · • **j muuskerrointa voidaan alentaa.

«ΦΦ I

• · * f · • · ··· 25 Keksinnön mukaisen menetelmän yhteydessä edullisesti käytettävän lämpökäsitte- : .·. lyprosessin erikoisuus on siinä, että nopealla jäähdytyksellä lopullinen mikrora- »·« · .***. kenne saadaan hienorakenteiseksi ja heikentäviä faaseja tai virhealueita sisältä- • φφ * . mättömäksi. Haluttujen ominaisuuksien mukaan valituilla sammutusnopeudella ja päästölämpötilalla ja pitoajalla säädetään lopullinen mikrorakenne ja sen mukaiset φ · ***** 30 materiaalin ominaisuudet. Yleensä tarkat ja nopeita jäähdytyksiä sisältävät läm- φ Φ · pökäsittelyprosessit edellyttävät öljyn tai suolakylvyn käyttöä. Keksinnön yhtey- ·· φ Φ • φ φφφ 15 118738 dessä käytetään edullisesti hallittua ja ohjattua erikoislampökäsittelyprosessia, jossa ilmalla ja siihen lisätyllä väliaineella saadaan riittävän nopeat, hallitut jäähtymisnopeudet. Koska jäähdytysaineena on edullisesti ilma ja vesi lisättynä luonnollisilla partikkeleilla, ei päästöjä luontoon tapahdu, öljyn käytöstä on pohja-5 vesiriski ja suolakylvyn suolojen jatkokäsittely muodostaa potentiaalisen ympäristöuhan. Lämpökäsittelyn sammutus-ja kuumennusvaiheet ovat lyhyitä ja lämpötilaerot kohtuullisia ja kappaletta ei jäähdytetä huonelämpötilaan vaan suuri osa lämpösisältöä pysyy kappaleessa koko lämpökäsittelyprosessin ajan. Lämpökäsittelystä ei siirry mahdollista vesihöyryä lukuun ottamatta materiaaleja ympäris-10 töön.

Verrattuna muihin samaan tarkoitukseen soveltuviin materiaaleihin on keksinnön mukaisen pdlografuttivalurautalajin raaka-ainepohja pääosin kierrätysmateriaaleja, sulatuslämpötilat ovat teräksiin verrattuna alhaisemmat, takomiseen verrattuna 15 energiantarve on vähäisempää ja kappale valetaan hyvin lähelle lopullisia mittoja, jolloin materiaalihukka aihiosta on vähäinen. Valumateriaalina keksinnön mukainen materiaali on täysin uudelleen hyödynnettävissä: valimon sisällä valujäijes-telmät hyödynnetään välittömästi seuraavien valujen sulatuksessa ja käytöstä ai-;***: kanaan poistettavat keksinnön mukaisesta materiaalista valmistetut osat valimo 20 ostaa uusioraaka -aineekseen. Valun välituotteet, kuten valukanavat käytetään .1 2 3·1. uudelleen, muottimateriaali kierrätetään, koneistuslastut sulatetaan uudelleen ja • · a • ·1. lopputuote on kierrätettävää rautamateriaalia.

··· · • · • · t • » i • · 1 · . 1 1 1. Seuraavissa taulukoissa 1 -6 esitetään eräitä keksinnön mukaisella pallografiittiva- • · · 25 lurautalajilla saatavia tuloksia.

• · • · · • · 1 ··· 1 • a a • 1 • · • · a « • 1 • aa • · • · • •e · 2 • · · a 1 3 · i»l • · • · ··· 16 118738

Taulukko 1 Valukappale 600 kg

Valukappaleen kyljestä leikatut vetosauvat taulukosta A, kyseisen kohdan s = 5 150mm

Atmosfäärisammutus (Ilmasanunutus)

Kappaletunnus Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä Rm Re A

_|MPa_|MPa__

TAULUKKOA

K671 [842 [492 [5/7

K672 858 5Ö8 M

K673 847 SÖI H

K691 [827 [480 [5/7 K692 "852 496 ~6,1

K623 "842 492 M

TAULUKKO B

···

·:··· STAND. SFS-ΕΝ 1563+A1 KOESAUVA-AIHIOT

;···· Ks51 873 51Ö 7 ·** _____________ ϊ Ks 56 873 512 7 * · · :‘X Ks58 855 5ΪΪ el • · ·

Ks6Ö 86!" 496“ Tfi • ·

Ks 62 873 520 6,5 . . Ks 64 863 5Ö8 7^ » · · *;:/ Ks67 859 506 Ifi ·...· Ks 69 877 ϋ 6l • -------- *· · 11! Taulukossa B on esitetty eri kappaleiden valujen yhteydessä valettujen standardi- ; 10 koesauvojen arvoja (SFS-ΕΝ 1563+A1).

··· · ··« • s • · ... 1 a· 17

Taulukko 2 118738

Raskas kappalemassa noin 1700 kg

Eri kappaleiden kyljestä irrotetut koesauvat irrotuskappale sijaitsi s=100 ja 5 s=300mm seinämän alueen kyljestä.

Ilmasammutus

Kappaletunnus Seinämä mm Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä

Rm Re A

___MPa__MPa__% __

TAULUKKO A

Taulukko osoittaa pientä hajontaa eri koesauvojen kesken G041 Γ300 Γ84Ϊ [494 [6 G042 3ÖÖ 842 498 6^3 GÖ43 300 842 "494 5/7 G044 IÖÖ 835 "497 4~6 G045 WÖ 838 494 5Ä G046 Ϊ05 841 497 6Ä .*·*. G071 Γ500 Γ838 |~5Ö3 I~63 .!!!: G072 3ÖÖ 842 "494 6fi • · ' __ ___ .···, G073 300 841 487 6,3 ."I G074 IÖÖ 835 497 4£ • · · .

!*Υ G076 IÖÖ 844 194 ^6 • · · • « · — »' I ·· 1 1 I ' ··· · ··* :···: K091 [3Ö0 fm [499 T6j K092 3ÖÖ 836 "486 5/7 ί.:*: K093 3ÖÖ 836 "492 "63 C!: K094 IÖÖ 841 ”492 6Ä K095 IÖÖ 834 498 6Ä • · _____________ _ __ K096 100 834 498 5,9 • · _____________ **t • · _______ : kosi [300 Π542 [499 T^ö «*· ________ __ ________ * . · • · ··· 18 118738 K052 T1ÖÖ 842 |~5Ö5 Γμ K053 300 842 5Ö5 43 K054 3ÖÖ 837 493 53 K05S löö 838 487 63 K056 löö 829 486 53 TAULUKKO B standardi vetokoesauvatuloksia (SFS-ΕΝ 1563+A1)

Samojen kappaleiden yhteydessä kiinnivalettujen standardikoesauvojen arvoja Ks 04 [ 834 [496 [6

Ks 07 812 501 5

Ks 13 858 5Ö4 6

Ks 10 833 500 53

YA02A 300 [864 PsTÖ [M

YA02B 3ÖÖ 863 502 63 YA02C 3ÖÖ 85Ϊ 503 53 YA02D [1ÖÖ [873 [5T7 [6/7 YA02E 3ÖÖ 864 503 73 *·· ________________ YA02F 300 870 515 6,4 • ....1 I I _____ I -___ • · • 1 2 3 · • · • ·

• •I

• 1 • · · • · · • ·· · • · · · • · · • 1 · • · · • m • · t«i • ♦ • 1 1 • · · • · · · * · 1 • • · • · * # · • · 1 • · 1 * · • · « • · 1 * · · · · · . Φ · 2 • · 3 19

Taulukko 3 118738

Keemallinen valukappale massa 600 kg.

Nopea väliaineeseen tapahtuva jäähdytys (vesisammutus).

5 Kappaleen seinämän kyljestä leikatut kappalesauvat.

Kappale/sauva Seinämän Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä

paksuus s Rm Re A

__MPa_ MPa %_ G9411 200 812 624 5,1 G9412 2ÖÖ 893 6Ö1 ΉΪ G 9413 2ÖÖ 793 6Ϊ7 "HÖ G9512 [2ÖÖ [877 |~591 [Hl G7911 200 806 656 4Ä G7912 2ÖÖ 87Ö 637 5Ä G7913 ~2ÖÖ 825 663 ~4/7 G8812 T2ÖÖ Γ882 [59Ö |~6 G9012 2ÖÖ 852 "~592 5 G7911 2ÖÖ 8Ö6 656 4Ä • · · * *···) G7912 2ÖÖ 87Ö 637 5Ä G7913 2ÖÖ 825 663 4/7 aaa___ __

G8912 200 ~87Ö 637 M

I.;’: G872 2ÖÖ 863 596 5^ : G921 2ÖÖ 857 633 5# a a a a 7 • · a ' 1 1 ' 1 • · • · aaa : .*. YJ301 flÖO 876 [ 623 [T,l • a a ."•V YJ302 2ÖÖ 843 64Ϊ 4/7 • a • a a - 111 1 " " Il I I - i —- 1 ’ a a • a • a a • a a a • aa a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a · a

Taulukko 4a 20 118738

Keemallinen valukappale massa 700 kg.

Nopea sammutus (väliaineena vesi).

S Kappaleen sisältä leikatut koesauvat.

Kappale/sauva Seinämän Sijainti Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä

paksuus s Rm Re A

____MPa__MPa__%_ YJ30A [8Ö ulkopinta Γ879 [6Ϊ2 [87 YJ30B 8Ö ulkopinta 878 618 67 YJ30C 80 keskipinta 917 592 57 YJ30 D 80 keemanpinta 888 608 5,3 YJ30F 80 keemanpinta 878 612 4,6 YK06 CAI [1Ö ulkopinta [867 [589 [57 YK06 CA3 80 keemanpinta 847 602 4,7 YK06CB1 80 ulkopinta 842 589 4,6 YK06 CD1 80 ulkopinta 873 587 67 YK06 CD2 80 keskipinta 855 596 5,0 • · · • · · • m · • · • 1 · · • · • · · • · * · 1 • · · • M t • · * t • · · • · f · · · • ' · Φ · • · · • · • · « • · · ··· · • · • · • « « · • 1 · .

« 1 • · • · · · • · · • · · • · 1 ' · · • · • · • · ·

Taulukko 4b 21 118738

Keemallinen valukappale massa 700 kg.

Nopea sammutus (väliaineena vesi).

S Kappaleen sisältä leikatut koesauvat.

Kappale/sauva Seinämän Sijainti Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä

paksuus Rm Re A

__mm___MPa__MPa__%_ YJ30A 170 ulkopinta 935 614 7,3

YJ30B 170 keksipinta 942 6Ϊ4 5J

YJ30 C 170 keemanpinta 844 606 3,0 YK03A2 Πτ0 ulkopinta [935 Γ617 p79 YK03A4 170 ulkopinta 907 598 4^6 YKLA1 170 ulkopinta 864 591 [7/7 YKLA2 170 keskipinta 929 611 6,9 YKLA3 17Ö keskipinta 903 598 4^3 YKLA4__170__keemanpinta 890__611__4j6_

Taulukko osoittaa mekaanisia ominaisuuksia kappaleen eri osissa.

a a a • 1 I 1 • · a • a ··· • a • · a#a a · • · · a a a M1 1 • · • · · • · · »·1 ♦ • · « • a • · • a 1 • 1 · a • · · ··· t ··· a a a a ··· • · aa# a · • a »i· • · • la • « « «•»a · a • a a a a 1 «

Taulukko 5 22 118738

Raskas valukappale kappaleen sisältä leikatut massa 1300 kg 5 Nopea sammutus (väliaineena vesi).

Kappale Seinämä Murtolujuus Myötöraja Murtovenymä

mm Rm Re A

___MPa__MPa__%_ GV9ES 300/sivulle [883 [656 [Tö

GV9GS 300/sivulle 869 701 5J

GV9A2 90 pinta [873 [627 Hfi GV9A5 160 pinta 851 59Ö 4/7 GV9A7 90 keski 917 6ÖI 5fi GV9A12 90 pinta 847 614 5^4 GV9B1 120 pinta 883 705 1^9 GV9B2 120 sisä 841 60S 4/7 YV03A7 90 sisä [823 [64Ϊ [Tl

YV03A9 90 sisä 9ÖÖ 596 4J

... YV01A10 90 sisä 9Ö6 608 £l :···'1 YV03B4 120 sisä 856 629 *:1 i YV03S1 300 pinta 825 630 :]”i YV03S2 300 pinta 844 611 5Ö • · • · · • · j1 V Samassa kappaleessa ominaisuudet eri seinämän vahvuuskohdissa. Ominaisuuksia • · · '!!. en hajonta suhteellisen pieni.

• · • · · · • · · • · · * · · · ··· • · • · ··· • ·

• •I

• · • · • · · • · Φ · · • · · • tl · ·

* m • M

Taulukko 6 23 118738

Pyöröväsytyskoe (kappaleesta eri osista irtileikatut koesauvat)

Koesauva Halkaisija Yhteensä Jännitys

Meikki mm_ (lukema) Mpa

Ulkopinta 1 6,740 144104627 323 6 6,740 183 306 743 333 10 6,740 46368754 357 14 6,740 76 338 376 357 18 6,740 259344245 333 22 6,740 2 427656 352 26 6,740 1 481978 357 30 6,740 97530904 357_

Keeman puoleinen 5 6,740 44323 676 333 9 6,740 493 647 333 13 6,740 19 047 785 333 17 6,740 20 493 782 333 21 6,740 16667 061 333 25 6,740 326 086 333 29_6,740_7 585 424 333 S Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin oheisen piirustuksen kuvioihin viitaten, joiden yksityiskohtiin keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus . · · ·. mitenkään ahtaasti rajoittaa.

n · n 9 • n · · · • · ,···. Kuviossa 1 on esitetty kaaviollisesti tekniikan tasosta tunnetun valuraudan 9 9 : 10 GJS800 valmistuksen lohkokaavio.

• · · ··· · • 1 2 3 • · n • 1 · ,···[ Kuviossa 2 on esitetty kaaviollisesti keksinnön mukaisen hienoraepallografiittiva- • · luraudan (FGD1) valmistuksen lohkokaavio.

• 1 • · · • · · 15 Kuviossa 3 on esitetty kaaviollisesti keksinnön mukaisen hienoraepallografiittiva- • e ' 1 1 luraudan (FGDI) etappilämpökäsittely.

• · t · · *...: Kuviossa 4 on esitetty kaaviollisesti lohkokaaviona lämpökäsittelyn simulointi • :1: prosessikaavio manimuotokappaleelle.

··· · · 2 • · 3 24 118738

Kuvioissa 5A ja 5B on esitetty kappaleen lämpökäsittelyn simulointiin liittyvä kappaleen jäähtymisnopeus eri kappaleen eri pisteissä.

Kuvassa 6 on esitetty tyypillinen mikrorakennekuva keksinnön mukaisesta pallo-5 grafiittivalurautalajista, jonka suurennos on 100-kertainen.

Kuvassa 7 on esitetty kuvasta 6 400-kertainen suurennos.

Kuvassa 8 on esitetty kuvaa 6 vastaava 700-kertainen suurennos.

10

Kuvassa 9 on tyypillinen mikrorakennekuva tekniikan tason mukaisesta valu-rautamateriaalista, jossa suurennos on 100-kertainen.

Kuvassa 10 on esitetty kuvaa 9 vastaava 700-kertainen suurennos.

15

Kuviossa 1 on esitetty kaaviollisesti erään tekniikan tason mukaisen materiaalin, GJS-800 valmistuksen lohkokaavio. Kuten kuviosta 1 käy ilmi, tekniikan tasosta tunnetuissa prosesseissa raaka-aineena käytetään teräsromua, harkkorautaa, kier- ·»· rätysaineita seka hiilletysaineita feropiitä ja seosaineita ja tarvittaessa suoritetaan * ! 20 alkuaineanalyysi. Sulatus tapahtuu induktiosulatuksena 11, minkä jälkeen sulan- ··· käsittelyissä palloutusvaiheessa 12 sulaan lisätään palloutusainetta. Tämän jälkeen • · j seuraa ymppäys 13, jossa sulaan lisätään ymppäysainetta, minkä jälkeen sula vale- e · ! : taan valuvaiheessa 14 mahdollisen alkuaineanalyysin jälkeen ja tarkkaillaan valuta": lämpötilaa. Tämän jälkeen valu puretaan purkuvaiheessa 15, minkä jälkeen seu- 25 raavat jälkikäsittelyt 16: pintapuhdistus, valukkeiden poisto ja puhdistushionta.

ϊ ;1 2: Tämän jälkeen suoritetaan laaduntarkastus ultraäänitarkastuksena 17 sekä suorite- ··· · :3: taan mahdollinen vetokoe 18.

·»· ·

Kuviossa 2 on esitetty kaaviollisena lohkokaavioesityksenä keksinnön mukaisen 2 • e 3 30 pallografiittivalurautalajin valmistusprosessi. Raaka-aineena käytetään teräsro- • ·1♦ !.! ! mua, harkkorautaa, kiertoromua, hiilletysaineita, feropiitä ja seosaineita, minkä • •e • · • · ··· 25 118738 jälkeen tarvittaessa suoritetaan alkuaineanalyysi. Sulatus toteutetaan induktiosula-tuksena 21 ja sulankäsittelyvaiheessa palloutuksessa 22 lisätään palloutusaine. Palloutuksen 22 jälkeen seuraa ymppäysaineen lisääminen ja ymppäys 23, minkä jälkeen suoritetaan alkuaineanalyysi ja tarkastetaan valulämpötila, minkä jälkeen 5 sula valetaan valuvaiheessa 24. Tämän jälkeen seuraa valujen purku purkuvai-heessa 25 ja sen jälkeen valujen jälkikäsittelyt 26: pintapuhdistus, valukkeiden poisto ja puhdistushionta. Laaduntarkistus suoritetaan ultraäänitarkistuksena 27. Tämän jälkeen suoritetaan lämpökäsittely etappilämpökäsittelynä 28 ja laaduntarkistus suoritetaan vetokokeella 29, minkä jälkeen seuraa koneistus ja pintasärötar-10 kastus (magna flux).

Kuviossa 3 on esitetty diagrammina keksinnön mukaisen pallografuttivalurautala-jin etappilämpökäsittelyn edullinen sovellus. Lämpökäsittelyssä ensin kappaleen lämpötila kuumennetaan noin 900°C:een, missä lämpötilassa kappaleita pidetään 15 tietyn ajanjakson verran, jonka jälkeen lämpötila lasketaan noin 800°C:een, missä lämpötilaa tasataan lyhyen ajanjakson verran, jonka jälkeen nopeasti jäähdytetään materiaali 400°C:een, missä lämpötilassa kappaleita pidetään tietyn ajanjakson verran, jonka jälkeen kappale uudestaan kuumennetaan lämpötilaan noin 580°C, • e *···' missä lämpötilassa kappaleita pidetään tietyn ajanjakson ajan, jonka jälkeen kap- ···· 20 pale jäähdytetään halutulla j äähdytysnopeudella. Etappilämpökäsittelyä on kuvat- * · tu yksityiskohtaisemmin muun muassa FI-patenttihakemuksessa 20011954.

• * • · · ♦ · · ··· * • e « φ » : Kuviossa 4 on esitetty kaaviollisesti lämpökäsittelyn simulointiprosessikaavio ♦ ### monimuotokappaleille. Materiaaliominaisuuksien 31 perusteella määritetään ha-25 luttu mikrorakenne 32 (lämpötilakäyrät) ja materiaalien termiset ominaisuudet 33, • · : jotka tiedot syötetään lämpökäsittelyn simulointiin 30. Lisäksi haluttuja materiaa- ··* liominaisuuksia koskevat tiedot 34 sekä tiedot kappaleen geometriasta syötetään ·;··; lämpökäsittelyn simulointiin 30. Tämän perusteella määritellään tavoitteellinen .***. lämpökäsittelyohjelma 38 ja minkä perusteella määritetään uuninohjausparametrit

• M

. *. 30 39 sekä tavoitteelliseen lämpökäsittelyohjelman 38 että uunin parametrien 40 pe- * S s ♦ ·· · ·«· • · • · ··· 26 118738 rusteella. Uunin parametrien 40 perusteella myös määritellään lämmön siirtyminen ympäristöön 36, joka otetaan huomioon lämpökäsittelyn simuloinnissa 30.

Kuviossa SA-3B on esitetty kappaleen lämpökäsittelyn simulointia ja kappaleen S jäähtymisnopeutta eri kappaleen eri pisteissä. Kuviossa 5A on esitetty lämpötilat T ajan t funktiona, joissa lämpökäsittelykäyrissä viitemerkinnällä S esitetyssä kohdassa ilmenevät seostuksella siirretyt perliitti- ja bainiittialueet, jotka ovat riippuvaisia materiaalin lisäaineista. Viitemerkinnät Pi ja P2 viittaavat kuvion 5B esimerkkikappaleen pisteisiin Pi ja P2, josta vaikuttavina tekijöinä ovat lämpövir-10 rat Q kappaleen eri puolille riippuen kappaleen muodosta.

Kuvioista 4, 5A ja SB käy ilmi, että kappaleen jäähtymisnopeuden simuloinnilla voidaan laskea etukäteen lämpökäsittelyllä aikaansaatava mikrorakenne kappaleen eri osissa. Menetelmässä saadaan määritettyä lämpökäsittelykäyrä edeltä käsin 15 kappaleelle haluttujen ominaisuuksien mukaan. Lämpökäsittelyn simulointi voidaan toteuttaa esimerkiksi kaupallisilla FEM (finite element methods) -ohjelmistoilla. Lämpökäsittelyn simulointi on mahdollista myös sopivasti modifioidulla vahisimulointiohjelmistolla.

• 9 • · 999 20 Kuvassa 6 on esitetty tyypillinen mikrorakennekuva keksinnön mukaisesta pallo- grafnttivalurautalajista. Kuvan suurennos on 100-kertainen. Kuvassa näkyy mik- : rorakenteen grafiittipallot perliittipohjalla ja keksinnön mukaisesti on kysymys : hienoraeperliitistä. Kuvassa näkyy myös ferliittiä raerajoilla, mikä lisää materiaa- ;***: Iin sitkeyttä.

··· 25 ; Kuvassa 7 on 400-kertainen suurennos kuvasta 6 keksinnön mukaisesta hienora- • •9 9 :***: epallografiittivaluraudasta (FGDJ). Kuvassa näkyy grafiittipalloja perliittipohjalla 2 ja ferriittiä raerajoilla, jota merkitty viitenumerolla 1.

99 • 99 9 9 • 9 999 • • 9 9 9 9 9 9 9 999 9 999 • 9 9 9 999 27 118738

Kuvassa 8 on 700-kertainen suurennos keksinnön mukaisesta hienoraepallografiit-tivaluraudasta (FGDI), josta käy ilmi hienorakeinen lamelliiakenne, jossa lamel-lietäisyys <0,4 pm. Raekoko on 10-20 pm.

5 Kuvassa 9 on esitetty tekniikan tason mukaisen materiaalin tyypillinen mikrora-kennekuva, jossa näkyy grafiittipalloja perliittisellä pohjalla ja noin 1-2% karbideja, joita on merkitty viitemerkinnällä A sekä grafiittipalloja merkitty viitemerkin-nällä B. Tämä rakenne ei tyypillisesti sisällä ferriittiä.

10 Kuvassa 10 on esitetty tekniikan tasosta tunnetun materiaalin 700-kertainen suurennos, josta ilmenee tyypillistä perliittirakennetta hyvälaatuisesta materiaalista. Raekoko on tyypillisesti 50-100 pm.

Keksintöä on edellä selostettu vain sen eräisiin edullisiin sovelluksiin viitaten, 15 joiden yksityiskohtiin keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus mitenkään ahtaasti rajoittaa.

• · · • · • · ··« • · 1 · • 1 · • 1 • · • · · • · • · · • · · ··· · • · • · » i · · • · · · • · · • 1 • · • •e • · • · · • · · • · · · e ·· • · • · *·· * • · • · · • · • · • « φ • 9 9 9 9 9 • « f • · · · · • · • 1 « ·

Claims (10)

28 118738

1. Pallografiittivalurauta lujuutta ja sitkeyttä vaativia koneenrakennusosia varten, tunnettu siitä, että pallografiittivalurauta on hienoraeopallografiit-5 tivalurautaa (FGDI), että hienoraepallografiittivalurauta (FGDI) käsittää painoprosentteina: C 3,6-2,8, Si 1,3-2,6, Mg 0,065-0,025, Mn 0,8-0,1 ja Cu 0,1-1,6, Ni 0,2-2,0, P 0,03-0,005 ja S 0,003-0,01, että hienoraepallo-grafiittivaluraudan (FGDI) grafiitin pallotiheys on 150-400 palloa/mm2, että hienoraepallografiittivalurauta (FGDI) käsittää mekaanisten ominai-10 suuksien yhdistelmän: myötöraja paksuseinämäisen kappaleen seinämän läpi 500N/mm2 - 750N/mm2, venymä 4-8 %, vetomurtolujuus -1000 N/mm2, väsymisraja kiertotaivutuksessa 300-420 kN/mm2, kovuus pääsääntöisesti 260-300 HB ja iskusitkeys SharpV 4-9 J/mm2 (-20°C) ja että hienoraepallografiittivaluraudan (FGDI) perliitin ja bainiitin lamelliväli on 15 alle 1,0 μιη. • · · • · • i

• · · ·;·<: 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pallografiittivalurauta, tunnettu siitä, että :***; hienoraepallografiittivaluraudan (FGDI) metallirakenne koostuu hienola- ··* ; mellisesta perliitistä sekä hienorakeisesta perliittis-ferriittisestä tai bainiit- : 20 tis-ferriittisestä rakenteesta sekä ferriitistä. #·< · • M • · • · ·*·

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen pallografiittivalurauta, tunnettu sii- :. ·. · tä, että että ferriitti on raerajoilla vyöhykkeinä perliittis-ferriittisessä raken- • · · ·...· teessä. ·**.. 25

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen pallografiittivalurauta, tunnettu sii- ··· : !·, tä, että ferriitti on neulasmaisena tai kampamaisena rakenteena rajarajojen * · · ··« i . * * ·, läheisyydessä ja bainiitin lomassa bainiittis-ferriittisessä rakenteessa. ···'

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen pallografiittivalurauta, tunnettu siltä, että grafiittipallojen palloutumisaste on yli 85%. 118738 29

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen pallografiittivalurauta, tunnettu siitä, että hienoraepallografiittivalurauta (FGDI) edelleen käsittää seos- ja hivenaineina Mo, Ti, Ce, Cu, Ni, Mg, Nb ja Bi. 5

7. Menetelmä pallografiittivaluraudan valmistamiseksi lujuutta ja sitkeyttä vaativia koneenrakennusosia varten, jossa menetelmässä raaka-aineet sulatetaan induktiosulatuksella (21), sulankäsittelyvaiheissa sula palloutetaan (22), ympätään (23) ja valetaan (24), ja valujen purkuvaiheen (25) jälkeen 10 suoritetaan valujen jälkikäsittelytoimet (26), tunnettu siitä, että hienora- epallografiittivaluraudan (FGDI) valmistamiseksi kappaleet lämpökäsitel-lään etappilämpökäsittelyssä (28) ja että etappilämpökäsittelyssä materiaali ensin austenoidaan, minkä jälkeen suoritetaan hallittu lämpötilan lasku ja tasoitus, jonka jälkeen suoritetaan nopea ohjattu jäähdytys, mitä seuraa 15 lämpötilan tasoitusvaihe, jossa kappaleen lämpötila pidetään valitussa ... lämpötilassa, jonka jälkeen suoritetaan päästö, jonka jälkeen kappale jääh- • · ,. ].: dytetään huoneenlämpötilaan. • · • · · • · * i

*·· : 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpökä- • · · * j 20 sittely suoritetaan suojakaasussa, esimerkiksi ilmassa tai vesisumussa. <«« « ··· • · • · • · ·

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpökä- : sittely suoritetaan sammutusveteen tai muuhun nopeasti jäähdyttävään vä- • · · liaineeseen. ·« 25

• »· .···, 10. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ··· . *. menetelmässä sulankäsittelyvaiheessa: hienoraepalloraegrafiittivaluraudan • * · [X.] palautuksessa ja kiteytymisen luovassa ymppäyksessä luodaan suuri pal- • · lotiheys sekä pieni perinnäinen valutilainen austeniitin raekoko. 30 1 1 8738