Valurautaon ryhmä rauta-hiiliseoksia, joiden hiilipitoisuus on yli 2 %.Sen käyttökelpoisuus johtuu sen suhteellisen alhaisesta sulamislämpötilasta.Seoksen ainesosat vaikuttavat sen väriin murtuessaan: valkoisessa valuraudassa on kovametalliepäpuhtauksia, jotka päästävät halkeamia suoraan läpi, harmaassa valuraudassa on grafiittihiutaleita, jotka ohjaavat ohimenevän halkeaman ja aiheuttavat lukemattomia uusia halkeamia materiaalin rikkoutuessa, ja pallografiittivaluraudassa on pallomaisia grafiitti "kyhmyt", jotka estävät halkeaman etenemisen edelleen.

Hiili (C) 1,8–4 painoprosenttia ja pii (Si) 1–3 painoprosenttia ovat valuraudan tärkeimmät seosaineet.Rautaseokset, joiden hiilipitoisuus on pienempi, tunnetaan teräksenä.

Valurauta on yleensä hauras tempervalurautaa lukuun ottamatta.Suhteellisen alhaisen sulamispisteensä, hyvän juoksevuuden, valuvuuden, erinomaisen työstettävyyden, muodonmuutoskestävyyden ja kulutuskestävyyden ansiosta valuraudoista on tullut tekninen materiaali, jolla on monenlaisia ​​sovelluksia ja jota käytetään putkissa, koneissa ja autoteollisuuden osissa, kuten sylintereissä. päät, sylinterilohkot ja vaihteistokotelot.Se kestää hapettumisen aiheuttamia vaurioita.

Varhaisimmat valurautaesineet ovat peräisin 500-luvulta eKr., ja arkeologit löysivät ne nykyisestä Jiangsusta Kiinasta.Valurautaa käytettiin muinaisessa Kiinassa sodankäynnissä, maataloudessa ja arkkitehtuurissa.1400-luvulla valurautaa käytettiin tykeissä Burgundiassa Ranskassa ja Englannissa uskonpuhdistuksen aikana.Tykkien valmistukseen käytetyt valurautamäärät vaativat laajamittaista tuotantoa. Ensimmäisen valurautaisen sillan rakensi 1770-luvulla Abraham Darby III, ja se tunnetaan rautasillana Shropshiren kaupungissa Englannissa.Valurautaa käytettiin myös rakennusten rakentamisessa.

Seosaineet

Valuraudan ominaisuuksia muutetaan lisäämällä erilaisia ​​seosaineita tai seosaineita.Hiilen ohella pii on tärkein seosaine, koska se pakottaa hiiltä pois liuoksesta.Pieni piin prosenttiosuus sallii hiilen pysymisen liuoksessa muodostaen rautakarbidia ja valkoisen valuraudan tuotannon.Suuri piin prosenttiosuus pakottaa hiiltä pois liuoksesta muodostaen grafiittia ja harmaan valuraudan tuotantoa.Muut seosaineet, mangaani, kromi, molybdeeni, titaani ja vanadiini, vastustavat piitä, edistävät hiilen pidättymistä ja näiden karbidien muodostumista.Nikkeli ja kupari lisäävät lujuutta ja työstettävyyttä, mutta eivät muuta muodostuvan grafiitin määrää.Grafiitin muodossa oleva hiili tekee raudasta pehmeämmän, vähentää kutistumista, alentaa lujuutta ja pienentää tiheyttä.Rikki, joka on suurelta osin kontaminantti, muodostaa rautasulfidia, joka estää grafiitin muodostumisen ja lisää kovuutta.Rikin ongelmana on, että se tekee sulasta valuraudasta viskoosia, mikä aiheuttaa vikoja.Rikin vaikutusten torjumiseksi mangaania lisätään, koska ne kaksi muodostavat mangaanisulfidin rautasulfidin sijaan.Mangaanisulfidi on sulaa kevyempää, joten se pyrkii kellumaan ulos sulatuksesta kuonaan.Rikin neutralointiin tarvittava mangaanin määrä on 1,7 × rikkipitoisuus + 0,3 %.Jos mangaania lisätään tätä enemmän, muodostuu mangaanikarbidia, joka lisää kovuutta ja jäähdytystä, paitsi harmaaraudassa, jossa jopa 1 % mangaania lisää lujuutta ja tiheyttä.

Nikkeli on yksi yleisimmistä seosaineista, koska se jalostaa perliitti- ja grafiittirakennetta, parantaa sitkeyttä ja tasoittaa leikkauspaksuuksien välisiä kovuuseroja.Kromia lisätään pieninä määrinä vapaan grafiitin vähentämiseksi, kylmyyden aikaansaamiseksi ja koska se on tehokas kovametallistabilointiaine;nikkeliä lisätään usein yhdessä.Pieni määrä tinaa voidaan lisätä 0,5 % kromin korvikkeena.Kuparia lisätään kauhaan tai uuniin 0,5–2,5 % jäähdytyksen vähentämiseksi, grafiitin jalostamiseksi ja juoksevuuden lisäämiseksi.Molybdeeniä lisätään luokkaa 0,3–1 % lisäämään kylmyyttä ja parantamaan grafiitti- ja perliittirakennetta;sitä lisätään usein yhdessä nikkelin, kuparin ja kromin kanssa korkealujuuksisten rautojen muodostamiseksi.Titaania lisätään kaasunpoistoaineena ja hapettumisenestoaineena, mutta se lisää myös juoksevuutta.Valurautaan lisätään 0,15–0,5 % vanadiinia sementiitin stabiloimiseksi, kovuuden lisäämiseksi sekä kulutuksen ja lämmönkestävyyden lisäämiseksi.0,1–0,3 % zirkoniumia auttaa muodostamaan grafiittia, poistamaan hapettumista ja lisäämään juoksevuutta.

Tempervalurautasulatteissa vismuttia lisätään asteikolla 0,002–0,01 % lisäämään piin määrää.Valkoraudassa booria lisätään auttamaan tempervaluraudan tuotantoa;se myös vähentää vismutin karkeuttamisvaikutusta.

Harmaa valurauta

Harmaalle valuraudalle on ominaista sen grafiittinen mikrorakenne, joka saa materiaalin murtumaan harmaaksi.Se on yleisimmin käytetty valurauta ja painon perusteella eniten käytetty valumateriaali.Useimmissa valuraudoissa on kemiallinen koostumus 2,5–4,0 % hiiltä, ​​1–3 % piitä ja loput rautaa.Harmaavaluraudalla on pienempi vetolujuus ja iskunkestävyys kuin teräksellä, mutta sen puristuslujuus on verrattavissa vähähiiliseen ja keskihiiliseen teräkseen.Näitä mekaanisia ominaisuuksia säätelevät mikrorakenteessa olevien grafiittihiutaleiden koko ja muoto, ja ne voidaan karakterisoida ASTM:n antamien ohjeiden mukaisesti.

Valkoinen valurauta

Valkoisessa valuraudassa on valkoisia murtuneita pintoja, koska sementiitillä on rautakarbidisakka.Pienemmällä piipitoisuudella (grafitointiaine) ja nopeammalla jäähdytysnopeudella valkoisen valuraudan hiili saostuu sulatuksesta metastabiilina faasisementiittinä, Fe₃C, grafiitin sijaan.Sulasta saostuva sementiitti muodostuu suhteellisen suurina hiukkasina.Kun rautakarbidi saostuu ulos, se poistaa hiiltä alkuperäisestä sulasta ja siirtää seosta kohti sellaista, joka on lähempänä eutektiikkaa, ja jäljelle jäävä faasi on alempi rauta-hiili-austeniitti (joka jäähtyessään saattaa muuttua martensiitiksi).Nämä eutektiset karbidit ovat aivan liian suuria tarjotakseen etua niin sanotusta saostuskarkaisusta (kuten joissakin teräksissä, joissa paljon pienemmät sementiittisakkaumat voivat estää [plastista muodonmuutosta] estämällä dislokaatioiden liikkumisen puhtaan rautaferriittimatriisin läpi).Pikemminkin ne lisäävät valuraudan bulkkikovuutta yksinkertaisesti oman erittäin suuren kovuutensa ja huomattavan tilavuusosuutensa ansiosta siten, että bulkkikovuus voidaan arvioida sekoitusten säännöllä.Joka tapauksessa ne tarjoavat kovuutta sitkeyden kustannuksella.Koska kovametalli muodostaa suuren osan materiaalista, valkoinen valurauta voidaan kohtuudella luokitella kermetiksi.Valkoinen rauta on liian hauras käytettäväksi monissa rakenneosissa, mutta hyvän kovuuden ja kulutuksenkestävyyden ja suhteellisen alhaisten kustannusten ansiosta sitä voidaan käyttää sellaisissa sovelluksissa kuin lietepumppujen kulutuspinnat (juoksupyörä ja kierukka), vaippavuoraukset ja nostotangot kuulassa. myllyt ja autogeeniset jauhatusmyllyt, kivihiilen jauhatuskoneiden kuulat ja renkaat sekä kaivurin kaivukauhan hampaat (vaikka valettu keskihiilinen martensiittiteräs on yleisempi tähän sovellukseen).

Paksuja valukappaleita on vaikea jäähdyttää tarpeeksi nopeasti jähmettämään sulatteen valkoiseksi valuraudaksi koko matkan ajan.Nopeaa jäähdytystä voidaan kuitenkin käyttää valkoisen valuraudan kuoren jähmettämiseen, jonka jälkeen loput jäähtyvät hitaammin muodostaen harmaavalurautaytimen.Tuloksena oleva valu, nimeltään ajäähdytetty valu, on kovan pinnan ja hieman sitkeämmän sisäpuolen edut.

Korkeakromipitoiset valkoiset rautaseokset mahdollistavat massiivisten valukappaleiden (esimerkiksi 10 tonnin juoksupyörän) hiekkavalun, koska kromi vähentää jäähdytysnopeutta, joka tarvitaan karbidien valmistukseen suuremman materiaalin paksuuden läpi.Kromi tuottaa myös karbideja, joilla on vaikuttava kulutuskestävyys.Nämä runsaasti kromia sisältävät metalliseokset johtuvat niiden ylivoimaisesta kovuudesta kromikarbidien läsnäolosta.Näiden karbidien päämuoto on eutektinen eli primaarinen M₇C₃karbidit, joissa "M" tarkoittaa rautaa tai kromia ja voi vaihdella lejeeringin koostumuksen mukaan.Eutektiset karbidit muodostuvat onttojen kuusikulmaisten sauvojen nippuina ja kasvavat kohtisuorassa kuusikulmainen perustasoa vastaan.Näiden karbidien kovuus on 1500-1800HV.

Muokattava valurauta

Takorauta alkaa valkoisena rautavaluna, jota lämpökäsitellään vuorokauden ajan noin 950 °C:ssa (1 740 °F) ja jäähdytetään sitten päivän tai kahden ajan.Tämän seurauksena rautakarbidissa oleva hiili muuttuu grafiitiksi ja ferriitiksi sekä hiileksi (austeniitiksi).Hidas prosessi sallii pintajännityksen muodostaa grafiitin pallomaisiksi hiukkasiksi hiutaleiden sijaan.Pienemmästä kuvasuhteestaan ​​johtuen sferoidit ovat suhteellisen lyhyitä ja kaukana toisistaan, ja niillä on pienempi poikkileikkaus suhteessa etenevään halkeamaan tai fononiin.Niissä on myös tylsät rajat, toisin kuin hiutaleet, mikä lievittää harmaan valuraudan jännityskeskittymisongelmia.Yleensä tempervaluraudan ominaisuudet ovat enemmän kuin miedon teräksen ominaisuudet.Takorautaa voidaan valaa rajoitetusti, sillä se on valmistettu valkoisesta valuraudasta.

Pallorautaa