Hiilipitoisuus on yksittäinen vaikutusvaltaisin muuttuja valurautametallurgiassa. Valurauta määritellään hiilipitoisuudella 2,0 - 4,5 paino-%. — paljon teräksen 0,02–2,0 %:n yläpuolella. Tällä alueella jopa 0,3 %:n siirtymä hiilessä voi muuttaa perusteellisesti valukappaleen mikrtaiakennetta, mekaanista lujuutta, kovuutta, työstettävyyttä ja lämpökäyttäytymistä. Hiilen vuorovaikutuksesta raudan – ja muiden seosaineiden kanssa – ymmärtäminen on perusta valujen valmistamiselle, jotka toimivat luotettavasti käytössä.
Toisin kuin teräs, jossa hiili pidetään alhaisena sitkeyden ja sitkeyden maksimoimiseksi, valurauta säilyttää tarkoituksella korkeat hiilipitoisuudet saavuttaakseen erinomaisen valuvuuden, tärinänvaimennus- ja kulutuskestävyyden. Keskeinen ero on siinä, minkä muodon hiili ottaa jähmettyneessä metallimatriisissa.
Valuraudassa olevaa hiiltä on toisessa kahdesta päämuodosta: as vapaa grafiitti (kiinteytymisen aikana saostunut alkuainehiili) tai kuten rautakarbidi (Fe₃C, jota kutsutaan myös sementiitiksi) . Hallitseva muoto määräytyy hiilipitoisuuden, jäähdytysnopeuden ja muiden alkuaineiden - erityisesti piin - läsnäolon perusteella. Tämä ero ei ole kosmeettinen; se määrittää, onko rauta harmaa, valkoinen, muokattava vai sitkeä – jokaisella on syvästi erilaiset mekaaniset ominaisuudet.
Eri valurautalajit eivät ole mielivaltaisia luokkia – ne ovat seurausta tietoisesti kontrolloiduista hiilimääristä yhdistettynä erityisiin käsittelyolosuhteisiin.
| Valurautatyyppi | Hiilipitoisuus (%) | Hiilen muoto | Tärkeimmät ominaisuudet |
|---|---|---|---|
| Harmaa rauta | 2,5–4,0 % | Grafiittihiutale | Hyvä työstettävyys, korkea vaimennus, alhainen vetolujuus |
| Valkoinen rauta | 1,8–3,6 % | Sementiitti (Fe₃C) | Erittäin kova, hauras, erinomainen kulutuskestävyys |
| Takorauta | 2,0–2,9 % | Temper carbon (ruusukkeet) | Hyvä sitkeys hehkutuksen jälkeen, iskunkestävä |
| Pallorauta (nodulaarinen). | 3,2–4,2 % | Pallomainen grafiitti | Korkea vetolujuus, sitkeys, väsymiskestävyys |
| Tiivistetty grafiittirauta | 3,1–4,0 % | Vermikulaarista (matomaista) grafiittia | Harmaan ja pallografiittiraudan välissä |
Hiili ei toimi eristyksissä. Pii ja fosfori myötävaikuttavat myös sulatteen tehokkaaseen "hiilen kaltaiseen" käyttäytymiseen. Valimoinsinöörit käyttävät Hiiliekvivalenssi (CE) kaava ottaa huomioon nämä vuorovaikutukset:
CE = %C (%Si %P) / 3
Puhdas rauta jähmettyy 1 538 °C:ssa. Rauta-hiili-järjestelmän eutektinen piste tapahtuu klo CE = 4,3 % , joka on koostumus, jolla on alhaisin sulamispiste (~1 150 °C) ja paras juoksevuus. Useimmat kaupalliset harmaaraudat kohdistavat CE:n 3,9–4,3 % tasapainottaa heitettävyyttä mekaanisen suorituskyvyn kanssa.
Hiilipitoisuuden ja mekaanisten ominaisuuksien välinen suhde ei ole lineaarinen - se riippuu suuresti siitä, kuinka hiili jakautuu matriisissa. Selkeitä suuntauksia on kuitenkin olemassa.
Harmaassa raudassa lisää hiilen kokonaismäärää yleensä vähentää vetolujuutta koska enemmän ja karkeammat grafiittihiutaleet toimivat jännityksen keskittäjinä. Harmaarauta saavuttaa tyypillisesti vetolujuuden 150-400 MPa , verrattuna 400-900 MPa pallografiittivaluraudalle, jossa samaa hiiltä on läsnä palloina eikä hiutaleina. Grafiitin morfologia on tärkeämpää kuin kokonaishiiliprosentti.
Korkeampi hiili sementiitin (valkoraudan) muodossa lisää kovuutta dramaattisesti - valkoinen rauta saavuttaa tyypillisesti 400-700 HBW , verrattuna 150-300 HBW harmaalle raudalle. Tämä tulee kuitenkin lähes nollan sitkeyden kustannuksella. Jäähdytetyissä valuissa kulutuspinnoille luodaan tarkoituksella kova valkoinen rautapintakerros, kun bulkki jää harmaaksi.
Harmaarautaa on periaatteessa nolla sitkeys (venymä <0,5 %) sisäisinä lovina toimivista grafiittihiutaleista johtuen. Pallorauta, jolla on sama tai korkeampi hiilipitoisuus, mutta nodulaarisessa muodossa, saavuttaa venymäarvot 2–18 % laadusta riippuen – dramaattinen parannus, joka on mahdollista ainoastaan muuttamalla grafiitin morfologiaa magnesiumkäsittelyn avulla, ei pelkistämällä hiiltä.
Vapaa grafiitti toimii sisäänrakennettuna voiteluaineena koneistuksen aikana, minkä vuoksi harmaarauta on yksi helpoimmin työstettävistä metalleista . Korkeampi grafiittipitoisuus (korkeampi hiilipitoisuus harmaassa raudassa) parantaa yleensä työstettävyyttä. Valkorautaa sen sijaan sementiittipitoisuuden vuoksi on erittäin vaikea työstää, ja sitä käytetään tyypillisesti vain valettuina tai jauhetussa muodossa.
Mekaanisten ominaisuuksien lisäksi hiilipitoisuus vaikuttaa suoraan yleisten valuvirheiden esiintymiseen – toiset johtuvat liian suuresta hiilestä, toiset liian vähäisestä.
Sekä hiili että silikoni edistävät grafiitin laajeneminen jähmettymisen aikana . Grafiitin saostuessa se laajenee tilavuudellisesti ja ehkäisee osittain nestemäisen metallin jäähtyessä tapahtuvaa kutistumista. Harmaan raudan korkeampi hiilipitoisuus (CE lähes 4,3 %) tuottaa riittävän grafiitin laajenemisen lähes nolla nettokutistuminen , mikä vähentää suurten nousuputkien tarvetta. Vähähiilisempi harmaarauta (CE ~3,6 %) saattaa kutistua nettomääräisesti 0,5–1,5 % , joka vaatii huolellista nousuputken suunnittelua.
Hypereutektisissa raudoissa (CE > 4,3 %) primäärinen grafiitti saostuu ennen eutektista reaktiota ja voi kellua valukappaleen tai muotin yläpinnalle. Tämä "kish" grafiitti aiheuttaa pintaonteloita, sulkeumia ja kosmeettisia vikoja. Hiilen kontrollointi hypereutektisen kynnyksen alapuolella estää kishin muodostumisen.
Kun hiilipitoisuus ja jäähdytysnopeus eivät täsmää – varsinkin ohuissa osissa, joissa CE on rajallinen – harmaaraudan alueiden rinnalla tapahtuu osittainen valkoraudan muodostumista. Tämä "täplikäs" mikrorakenne tuottaa arvaamattoman ja epätasaisen kovuuden, jolloin koneistus on epäjohdonmukaista ja mekaaninen suorituskyky epäluotettava. Sitä pidetään virheenä kaikissa paitsi tarkoituksellisissa jäähdytetyissä valumalleissa.
Hiili ei koskaan toimi yksin. Pii on valuraudan tehokkain grafitoiva elementti ja toimii suoraan yhteistyössä hiilen kanssa lopullisen mikrorakenteen määrittämiseksi. Kaupallisen valuraudan piipitoisuus vaihtelee tyypillisesti 1,0 % - 3,0 % .
Tästä syystä pelkkä hiilen määrittäminen ei riitä – valimoinsinöörit määrittävät aina sekä hiilen että piin yhdessä ja yleensä valvovat CE:tä komposiittisäätöparametrina.
Hiilipitoisuuden hallinta tuotannossa on sekä kemiaa että prosessia. Seuraavat menetelmät ovat vakiokäytäntö nykyaikaisissa valimoissa:
Hiilipitoisuus on valurautametallurgian päämuuttuja, mutta sen vaikutus ilmaistaan aina sen vuorovaikutuksessa jäähdytysnopeuden, piipitoisuuden ja prosessointiolosuhteiden kanssa. Kokonaishiili määrää, kuinka paljon grafiittia tai karbidia voi muodostua; prosessointiympäristö määrittää kumpi tekee. Olipa tavoitteena harmaan raudan vaimennuskyky, valkoraudan kulutuskestävyys tai pallografiittiraudan sitkeys, tasaisen valulaadun saavuttaminen alkaa tarkasta hiilen hallinnasta, jota tukee reaaliaikainen sulatusanalyysi. Hiilen määrittäminen ja tarkistaminen – aina piin ja CE:n rinnalla – ei ole valinnaista valimon insinööreille ja valukappaleiden ostajille. se on jokaisen laadukkaan valun lähtökohta.
