Valuraudan ominaisuudet: Valun simulointi ja mikrorakenne

Abstract

Tämän työn tavoitteena oli tutkia MAGMA valusimulointiohjelman valurautalisenssin ominaisuuksia ja tulosten paikkansapitävyyksiä. Työssä tehtiin kymmenen simulointia, joissa vertailtiin suomugrafiittivaluraudan kemiallisen koostumuksen ja ymppäyksen vaikutusta komponentin rakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin.

Työssä tutkittiin myös kahden eri valimon valmistamia suomugrafiittivalurautoja keskenään. Valimoiden valmistamissa suomugrafiittivaluraudoissa erona oli niiden kemialliset koostumukset, minkä vuoksi niiden hiiliekvivalenttien arvot poikkesivat toisistaan. Jokaisesta suomugrafiittivalurautaisesta komponentista valmistettiin vetokoesauvoja, joiden murtolujuudet mitattiin. Jokaisen valukappaleen vahvimman ja heikoimman vetokoesauvan poikkileikkauksesta tutkittiin ja analysoitiin grafiitin ja rautamatriisin rakenne. Rakenteesta tutkittiin grafiitin muoto, koko ja jakauma metallimikroskoopilla sekä kuva-analyysin avulla. Rakenteesta myös määriteltiin alkuaineiden pitoisuuksia energiadispersiivisellä röntgenspektroskoopilla (EDS).

Pienemmällä hiiliekvivalentin arvolla oleva komponentti oli murtolujuuksiltaan suurempi. Tähän löytyi selitys mikrorakenteesta. Lujemman komponentin mikrorakenne oli tasalaatuisempi ja grafiitin koko ja jakauma hienompi. Suuremmalla hiiliekvivalentilla olevassa komponentissa grafiitin rakenne ja jakauma oli karkeampaa sekä rakenteessa oli monin paikoin näkyvissä lyijyn vaikutus grafiittiin. Lyijy estää grafiitin normaalin kiteytymisen ja muodostaa niin kutsuttua widmanstätten grafiittia. Tällainen grafiittirakenne heikentää komponentin mekaanisia ominaisuuksia huomattavasti. EDS-analyysissä suuremmalla hiiliekvivalentilla olevan komponentin rakenteessa oli suurempi määrä lyijyä, sekä huomattavan korkea mangaanin pitoisuus. Mangaani toimii rakenteessa rikin sitojana muodostaen mangaanisulfidia. Ylimääräinen mangaani edistää rakenteen perliittisyyttä, sekä rautakarbidien syntyä.

Simuloinneissa suuremmalla hiiliekvivalentin arvolla oleva suomugrafiittivalurauta oli mekaanisilta ominaisuuksiltaan heikompi. Vetokokeet ja kovuusmittaukset näyttivät simuloinnin tulosten pitävän paikkansa. Tämä johtui heikomman valuraudan suuremmasta grafiitin määrästä rakenteessa, jolloin grafiittisuomut ovat suurempia ja pidempiä, minkä vuoksi ne heikentävät rakenteen lujuutta. Simulointi korreloi siis suhteellisen hyvin oikeaa valua ja sen ominaisuuksia

The aim of the work was to research the properties of the cast iron license of the MAGMA casting simulation program and the accuracy of the results. In the work, ten simulations were conducted to compare the effects of chemical composition and inoculation of gray cast iron on the structure and mechanical properties of component.

The study also compared flake graphite cast irons produced by two different foundries. The main difference between the cast irons from the foundries was their chemical compositions, which resulted in different carbon equivalent values. Tensile test specimens were prepared from each flake graphite cast iron component, and their tensile strengths were measured. The structure of the graphite and iron matrix was examined and analyzed in the cross-sections of the strongest and weakest tensile test specimens from each casting. The graphite's shape, size, and distribution were studied using a metallographic microscope and image analysis. The elemental concentrations were determined using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS).

The component with a lower carbon equivalent value exhibited higher tensile strength. This was explained by its microstructure. The microstructure of the stronger component was more uniform, and the graphite size and distribution were finer. In the component with a higher carbon equivalent, the graphite structure and distribution were coarser, and the structure often showed the influence of lead on the graphite. Lead inhibits normal graphite crystallization, forming socalled Widmanstätten graphite. This type of graphite structure significantly weakens the mechanical properties of the component. EDS analysis showed that the component with a higher carbon equivalent contained a larger amount of lead and a notably high manganese concentration. Manganese acts as a sulfur binder in the structure, forming manganese sulfide. Excess manganese promotes the pearlitic structure and the formation of iron carbides.

In the simulations, the flake graphite cast iron with a higher carbon equivalent was mechanically weaker. Tensile tests and hardness measurements confirmed the simulation results. This was due to the larger amount of graphite in the weaker cast iron structure, resulting in larger and longer graphite flakes, which reduce the strength of the structure. Therefore, the simulation correlated relatively well with the actual casting and its properties.