1. No category

http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Hiekkamuottimenetelmät
Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu
Tuula Höök, Valimoinstituutti
Johdanto
Valumenetelmät jaetaan muotin käyttötavan mukaan kerta- ja kestomuottimenetelmiin. Hiekkavalussa sekä keraamisiin tai kipsimuotteihin valettaessa käytetään valun jälkeen hajotettavaa
kertamuottia. Kertamuottien valmistus vaatii aina mallin, joka voidaan valmistaa puusta, muovista,
vahasta tai metallista. Sen kestävyys sekä valmistuskustannukset vaihtelevat riippuen mallimateriaalista. Metallinen malli on kallis, mutta se kestää parhaimmillaan yli 50 000 kaavausta. Valetuilla
epoksihartsimalleilla voidaan päästä 5 000 - 10 000 kappaleen sarjoihin. Valettuja malleja on myös
helppo monistaa ja uusia, jos mallinegatiivi säilytetään. Puumallit ovat hinnaltaan suhteellisen
edullisia, mutta korkeimmassakin laatuluokassa niillä päästään vain noin 1 000 – 5 000 kaavauskertaan. Vahamallit ovat kertakäyttöisiä.
Kuva 1. Tavanomaiset käyttöalueet kertamuoteille
Kestomuottimenetelmissä muotit valmistetaan yleensä metallista, mutta myös keraamisia ja grafiitista tehtyjä kestomuotteja käytetään. Jotta valukappaleen voi poistaa muotista, tulee sen olla
avattava. Kestomuottimenetelmät edellyttävät sarjatuotantoa. Valukappaleet ovat mittatarkempia
kuin hiekkamuotteja käyttävissä menetelmissä.
Metallimuottia käytettäessä sula jähmettyy huomattavasti nopeammin kuin kertamuotissa, keraamisessa kestomuotissa tai grafiitista valmistetussa kestomuotissa. Tämän ansiosta valukappaleisiin
saadaan hienojakoinen mikrorakenne sekä paremmat mekaaniset ominaisuudet. Valuraudat ovat
kuitenkin poikkeus. Useimpien valurautojen rakenne edellyttää grafiitin erkautumiselle sopivaa
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 1
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
jähmettymisnopeutta. Metallista valmistettu muotti tuottaa niin suuren jähmettymisnopeuden, että
grafiitti ei erkaudu, vaan muodostaa valkeille valuraudoille tyypillisen martensiittisen rakenteen.
Muotin kestävyys riippuu pääasiassa valettavasta metallista. Valulämpötilan kohotessa muotin
kestoikä lyhenee. Myös muotin raaka-aine, huolto ja korjaus, käytetty valumenetelmä sekä valukappaleen muoto vaikuttavat muotilla saatavien valukertojen lukumäärään.
Kertamuottimenetelmät voidaan jaotella esimerkiksi kaavaustekniikan, kaavausmassan tai mallitekniikan mukaisesti. Tässä oppimateriaalissa kertamuottimenetelmät jaotellaan kaavausmassan
mukaan: valuna hiekkamuottiin, keraamiseen muottiin ja kipsimuottiin. Kertamuottimenetelmät
soveltuvat kipsimuottia lukuun ottamatta myös kaikkein korkeimmissa lämpötiloissa sulavien
valumetallien eli esimerkiksi valurautojen, terästen ja korkean lämpötilan superseosten valamiseen.
Kipsimuotteja käytetään alumiini-, kupari- ja sinkkiseosten valamiseen.
Hiekkavalumuotti
Hiekkavalumuotti koostuu muottipuoliskoista ja keernoista. Mikäli muotissa on enemmän kuin
kaksi puoliskoa, olisi selkeämpää käyttää nimitystä ”muottiviipale”. Muotin alempaa puoliskoa
kutsutaan alamuotiksi tai alapuoliskoksi (drag). Ylempää puoliskoa kutsutaan ylämuotiksi tai
yläpuoliskoksi (cope). Muottipuoliskojen tai -viipaleiden välinen pinta on nimeltään jakopinta
(parting surface, parting). Valukappaleessa pinta muodostaa jakolinjan (parting line), jonka molemmin puolin muotoillaan mallin vetosuuntaiset eli irrotussuuntaiset hellitykset (draft).
Keerna (core) on irrallinen, kovetetusta hiekasta valmistettu, muottiin sen kokoonpanovaiheessa
asetettava osa, jolla muotoillaan valukappaleen sisäpuolisia ja ulkopuolisia vastahellityksellisiä
muotoja tai vahvistetaan suurelle rasitukselle altistuvia muotin osia. Keerna pyrkii nousemaan
valun aikana ylöspäin sulan metallin aiheuttaman nosteen vaikutuksesta. Tästä syystä se on tuettava huolellisesti paikoilleen. Tuentaa varten keernaan muotoillaan keernakannat, joiden varassa se
lasketaan muotissa oleviin keernansijoihin (core print). (Kuva 2)
Kuva 2. Keernan tuenta muotissa. Keerna pyrkii siirtymään valun aikana ylöspäin sulan metallin nosteen
vaikutuksesta. Keernalla ja sulalla on suuri tiheysero. Keernan syrjäyttämän sulan massa on 2 – 3 kertaa
suurempi keernan massaan verrattuna. Keernassa olevia tukia kutsutaan keernakannoiksi. Keerna lasketaan
niiden varassa muotissa oleviin keernansijoihin. Esimerkkikuvassa oleva valukappale on putkimainen. Putkimaisen kappaleen keerna on helppo tukea muottiin, koska sen kannat ovat yleensä suurikokoiset ja niitä on
vähintään kaksi. Esimerkkikuvassa keernalla on kolme suurikokoista kantaa.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 2
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Valukappaleet, joissa on keernoilla muotoiltavia sisäpuolisia muotoja, voidaan jakaa putkimaisiin
(Kuva 2 - Kuva 4, Kuva 9) ja kotelomaisiin (laatikkomaisiin) (Kuva 5 ja Kuva 6) rakenteisiin sekä
sivuille avonaisiin kerrosmaisiin rakenteisiin (Kuva 7). Näiden lisäksi keernoja käytetään kappaleen
ulkopuolisten muotojen muotoamiseen (Kuva 8). Putkimainen rakenne on usemmissa tapauksissa
yksinkertaisin ja varmin tukea. Kotelomainen rakenne tuottaa eniten vaikeuksia, koska kantoja on
vain yksi. Ulkopuolisten keernojen tuentamahdollisuudet riippuvat valukappaleen muodoista.
Kuva 3. Putkimainen rakenne valukappaleessa. Suora keerna kahdella kannalla. Kappaleessa on massiivinen
seinämä.
Kuva 4. Keerna pyrkii sulan nostevaikutuksen vuoksi nousemaan valun aikana. Seinämänpaksuus kasvaa
alhaalla ja vähenee ylhäällä. Vasemmalla: Suora keerna, jossa on kaksi keernakantaa. Mikäli keernansijat ovat
väljät, keerna nousee ylämuotin keernansijan yläpintaan. Väljyys voi johtua suunnitteluvirheestä, kaavausvirheestä tai muotin huonosta sulkeutumisesta. Oikealla: Kaareva keerna kahdella kannalla. Nostevaikutus
pyrkii kiertämään keernaa, jonka muoto on jokin muu kuin pyörähdyssymmetrinen. Keerna täytyy lukita
kannoistaan siten, että kiertyminen estyy.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 3
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 5. Kotelomainen kappale. Keernassa on vain yksi kanta. Jotta sulan noste ei pääsisi liikuttamaan keernaa valun aikana, se tuetaan laipasta alamuottiin (kuva vasemmalla) tai ripustetaan ylämuottiin (kuva
oikealla).
Kuva 6. Kotelomainen valukappale. Mikäli kotelomaisen valukappaleen keerna täytyy asettaa vaaka-asentoon,
se tuetaan sulan nostetta vastaan keernatuilla eli keernapalleilla. Tällaista ratkaisua ei suositella.
Kuva 7. Valukappale, jossa on sekä kerrosmaisia että putkimaisia rakenteita.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 4
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
a)
b)
c)
d)
Kuva 8. Kappaleen ulkopuolisten muotojen muotoaminen keernan avulla. a) Valukappale. b) Keerna ja
kappale yhdessä. c) Keerna. d) Keerna muotissa. Keernan tuentamahdollisuudet riippuvat valukappaleen
muodoista. Keerna tulisi tukea siten, että se pysyy valun aikana paikoillaan kaikissa suunissa eli se ei pääse
kiertymään tai nousemaan ylöpäin eikä liikkumaan sivuille, eteen tai taakse.
Mikäli keerna on pitkä ja kapea tai siinä on muuhun muotoon nähden huomattavan kapeita kannaksia, se vahvistetaan keernalangalla tai raudoituksin. Lankojen ja raudoitusten tarkoituksena on
lisätä keernan sitkeyttä. Yleensä pyritään kuitenkin ensisijaisesti valitsemaan keernoille sellainen
valmistusmenetelmä ja materiaali, että vahvistusta ei tarvita.
Yhteen liitetyt muottipuoliskot, tarkemmin ilmaistuna niiden sisällä oleva muottipesä (mo(u)ld
cavity), muotoavat valettavan tuotteen yhdessä keernojen kanssa. Muottipesiä voi olla useampi
kuin yksi. Muottia kuvataan pesien lukumäärän mukaan käsitteillä yksipesäinen muotti, kaksipesäinen muotti, kolmipesäinen muotti jne. sekä käsitteellä monipesäinen muotti.
Muottipuoliskoihin sisältyy muottipesän tai muottiontelon lisäksi muitakin toiminnallisia osia.
Näitä ovat valukanavisto (gating system), syötöt (risers) ja tarvittaessa kaasunpoistojärjestelmä
(vents).
Valukanavisto on reitti, jonka kautta sula valumetalli johdetaan muottipesiin. Sen pääosat ovat
kaatoallas tai kaatosuppilo (pouring basin, pouring cup, funnel), kaatokanava (sprue), jakokanava
(runner) ja valukanava (gate, ingate). (Kuva 9 - Kuva 11)
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 5
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Syötöt eli syöttökuvut tarjoavat korvausmetallia, jolla kompensoidaan valumetallin sula- ja jähmettymiskutistumat. Niiden lisäksi valukappaleeseen voi olla tarve lisätä syöttötäytteitä eli
valukappaleesta syöttöön johtavaa ylimääräistä materiaalia. Syötöt voidaan asettaa valukappaleen
päälle (Kuva 9) tai sivuille (Kuva 10 ja Kuva 11). Sivuilla olevia syöttöjä kutsutaan sivusyötöiksi
(side riser). Päällä oleville syötöille (top riser) ei ole olemassa erityistä suomenkielistä nimeä.
Kuva 9. Muotin päärakenneosien nimityksiä.
Kuva 10.
Hiekkamuotin valu- ja syöttöjärjestelmän pääosat. Kuvat sivulta ja päältä. Valujärjestelmän
osia ovat Kaatoallas, kaatokanava, jakokanava, valukanava ja valuportti. Syöttöjärjestelmän pääosia ovat
syöttökuvut. Kuvan esimerkissä syöttökuvut on sijoitettu kappaleen sivuille. Ne voitaisiin sijoittaa myös
kappaleen päälle.
Joissain tapauksissa jähmettymistä ohjataan kupujen lisäksi jäähdytyskappaleilla eli kokilleilla
(chill). Jäähdytyskappale on metallinen tanko, levy tai valettavan kappaleen pintojen mukaan
muotoiltu osa. Se asetetaan mallin päälle haluttuun kohtaan ja kaavataan hiekan sisään kiinteäksi
osaksi muottia. Vaikka valumetalli on suorassa kosketuksessa jäähdytyskappaleeseen, se ei kuiten-
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 6
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
kaan takerru valukappaleeseen kiinni niin tiukasti, ettei poistaminen olisi valun puhdistuksen
yhteydessä mahdollista. Kiinni takertumista ehkäistään peitosteilla.
Kuva 11.
Hiekkamuotin valu- ja
syöttöjärjestelmän osia muotin sisällä.
Kaksipesäinen muotti.
Kuva 12.
Kaksi muottiin kaavattua jäähdytyskappaletta eli “chillia”.
Jäähdytyskappale asetetaan valumallin
päälle ja kaavataan kiinteäksi osaksi
muottia.
Kaasunpoistojärjestelmä johtaa muottipesässä olevat ja valun aikana muodostuvat kaasut pois
muotin sisältä. Se rakennetaan poraamalla tai pistelemällä muottiin ja keernoihin reikiä, raaputtamalla muotin jakopinnalle muotista ulos johtavia matalia uria tai kaavaamalla hiekan sisään
kanavisto ilmanpoistonarun eli luhtinarun avulla. Luhtinarua käytetään erityisesti suurikokoisten
keernojen ilmastointiin.
Täyttöjärjestelmä, syöttökuvut ja osin kaasunpoistojärjestelmäkin täyttyvät metallilla ja ne on poistettava valmiista valusta. Valujärjestelmällä lisättyä valukappaleen painoa kutsutaan valun
bruttopainoksi. Valukappaleen painon ja valun bruttopainon suhdetta kutsutaan nimellä valun
saanto. Mitä suurempi on valujärjestelmän osuus suhteessa kappaleen painoon, sitä heikompi on
saanto. Teräksillä saanto on luokkaa 50 – 80 % ja valurautakappaleilla 70 – 90 %.
Hiekkamuotin muottiviipaleet valmistetaan valumallin avulla sopivalla sideaineella käsitellystä
hiekasta. Keerna valmistetaan keernamuotissa eli keernalaatikossa niin ikään sideaineella käsitellystä hiekasta. Keernojen ja muottiviipaleiden valmistusta kutsutaan kaavaamiseksi. Sideaineella
lisätty hiekka kovetetaan kaavaamisen aikana. Sideaine ja kovettamismenetelmä muodostavat
yhdessä hiekan sideainejärjestelmän. Käsittelemätöntä hiekkaa kutsutaan raakahiekaksi.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 7
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Raakahiekkana käytetään yleensä kvartsihiekkaa, toisinaan myös oliviinihiekkaa, kromiittihiekkaa
tai zirkonihiekkaa. Hiekan käyttökelpoisuus eri metallien valamiseen riippuu pääosin sen sintraantumislämpötilasta, mutta myös kemiallisista ominaisuuksista. Sintraantumislämpötila on lämpötila,
jossa hiekkarakeet alkavat tarttua kiinni toisiinsa ja reagoida valumateriaalin kanssa. Sintraantumislämpötila riippuu hiekan perusmineraalin sulamislämpötilasta ja hiekan epäpuhtauspitoisuudesta.
Kvartsihiekalla on taipumus reagoida valettavassa rautametallissa olevan rautaoksidin kanssa
rautasilikaatiksi. Reaktio vaatii suhteellisen korkean lämpötilan eikä tästä syystä ilmene kaikilla
valumetalleilla. Terästen valulämpötilat ovat riittävän korkeita, joten niille kvartsihiekka soveltuu
muita hiekkalaatuja huonommin. Ongelmaa voi pienentää muotin peitostamisen avulla.
Hiekkamuotit jaetaan sideaineen perusteella:
1.
2.
3.
Tuorehiekkamuotteihin (green sand). Tuorehiekan sideaine on bentoniittia ja vettä. Sideaineella sidottu hiekka kovetetaan mekaanisesti sullomalla. Mekaanisesti sullottava,
bentoniitilla ja vedellä sidottu hiekka on ainoa konekaavaukseen sopiva sideainejärjestelmä,
mutta sitä käytetään suhteellisen yleisesti myös käsin kaavauksessa. Tuorehiekasta ei
useimmiten valmisteta keernoja.
Kylmänä kovettuviin hiekkamuotteihin (no-bake). Kylmänä kovettuvissa hiekkamuoteissa sideaine voi olla orgaaninen tai epäorgaaninen. Epäorgaanisia sideaineita ovat sementti
ja vesilasi. Orgaanisia sideaineita ovat furaani- ja fenoli-formaldehydihartsit. Sideaine kovetetaan yhdessä nestemäisellä kovetteella. Kovete sekoitetaan hiekkaan yhdessä sideaineen
kanssa. Muotit kaavataan käsin. Kaikilla kylmänä kovettuvilla sideainejärjestelmillä voi
valmistaa myös keernoja, mikäli muoto on riittävän yksinkertainen.
Kuumana kovettuviin hiekkamuotteihin (kuorimuotti eli Croning). Kuumana kovetettavien hiekkamuottien sideaineena on orgaaninen novolakkatyyppinen fenoliformaldehydihartsi yhdistettynä heksametyleenitetramiiniin. Hiekka ostetaan yleensä valmiiksi sideaineella päällystettynä. Muotti kovetetaan lämmön avulla. Se kaavataan yleensä
kuorimuottikoneella, mutta käsin kaavaaminen on myös mahdollista. Kuorimenetelmällä
valmistetaan muottien lisäksi keernoja, joita kutsutaan kuorikeernoiksi. Kuorikeernoja voi
käyttää kuorimuottien lisäksi myös muulla tavoin valmistetuissa hiekkamuoteissa.
Kuorimuottimenetelmällä saavutetaan tavallista hiekkavalua parempi mittatarkkuus ja pinnanlaatu. Menetelmällä voidaan valmistaa ohutseinämäisiä ja siten myös kevyitä kappaleita.
Yksityiskohdat voivat myös pienikokoisempia ja hellitystarve vähäisempi kuin muilla hiekkavalumenetelmillä. Kovettamisen vaatimien lämpötilojen vuoksi on käytettävä metallista valmistettuja
malleja ja keernalaatikoita.
Keernat voidaan valmistaa kylmänä kovettuvista hiekkaseoksista käsin sullomalla tai kuumana
kovettuvista hiekkaseoksista kuorikeernakoneella, mikäli keernan muoto tätä tukee. Molemmissa
tapauksissa keernan on oltava muodoiltaan siinä määrin suurikokoinen ja yksinkertainen, että
hiekka on mahdollista täyttää keernalaatikkoon ilman ulkoista voimanlähdettä. Pienikokoiset,
hienoja ja/tai hankalasti täyttyviä yksityiskohtia sisältävät keernat valmistetaan keernatykillä.
Keernatykki täyttää sideaineella lisätyn hiekan keernalaatikkoon paineilman avulla, jolloin hyvin
monimutkaisia ja ohuitakin muotoja on mahdollista saada täyttymään.
Keernatykillä käytetään kaasukovetteisia (cold-box) sideainejärjestelmiä. Kovettuminen tapahtuu
hyvin nopeasti. Lopputuloksena on mittatarkka ja luja keerna, jonka pinnanlaatu on hyvä. Keernatykki valitaan toisinaan valmistusmenetelmäksi nopeuden ja laatuominaisuuksien vuoksi. Siitäkin
huolimatta, että keernan muoto mahdollistaisi manuaalisen valmistuksen.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 8
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Hiekkamuottien kaavaus
Kaavaus on hiekkamuottitekniikkaan kuuluva työvaihe, jonka aikana valmistetaan muotti ja keernat sideaineella lisätystä hiekasta. Muotin kaavaukseen tarvitaan paitsi 1) valumalli myös 2)
kaavausalusta tai mallipohja sekä 3) kehys, jonka sisälle kaavaushiekka lasketaan (Kuva 13 ja Kuva
16). Kaavausalustaa tai mallipohjaa vasten muodostuva hiekkapinta muodostaa muotin jakopinnan
(Kuva 14). Hyvin suuret valukappaleet ovat poikkeus. Ne kaavataan maahan kaivettuun kuoppaan
ilman kehyksiä. Keernojen kaavaukseen tarvitaan keernalaatikko.
Kuva 13.
Vasemmalla: Kehyksellisen muotin kaavaukseen tarvittavat välineet: Valumalli, kaavausalusta ja kaavauskehys. Kaavaus tehdään jaetulla irtomallilla. Oikealla: Kaavaushiekka lasketaan
kaavausalustalle asetetun valumallin päälle kaavauskehyksen sisään.
Kuva 14.
Kehyksellisen muotin kaavaus, alamuotti. Vasemmalla: Kemiallisesti kovettuva hiekka
painellaan valumallin päälle nopeasti ja tasaisesti. Tuorehiekka sullotaan esimerkiksi paineilmatoimisella
laitteella tai kaavauskoneessa. Oikealla: Kovettunut hiekkakakku kehineen nostetaan valumallin päältä pois ja
käännetään. Nostoliike täytyy tehdä mahdollisimman suoraan ylöspäin, jotta hiekkapinta ei rikkoudu.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 9
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kaavauksen jälkeen muotin osat jälkikäsitellään peitosteella, jos valettava metalli näin vaatii. Peitoste on tulenkestävää, ohutta jauhemaista ainetta, joka sekoitetaan lietteeksi vesi- tai
alkoholipohjaiseen nesteeseen. Levityksen jälkeen peitoste kuivataan uunissa, polttamalla tai vapaasti ilmassa.
Peitostuksen jälkeen muotti kootaan. Kokoamiseen kuuluu keernojen asettaminen paikoilleen ja
muottipuoliskojen tai -viipaleiden asettaminen päällekkäin. (Kuva 15)
Kuva 15.
Muotin kokoaminen. Muottiontelon pinnat peitostetaan, jos valettava metalli ja kaavaushiekka näin vaativat. Keernat asetetaan alamuottiin paikoilleen ja muotti suljetaan. Irtomallikaavauksessa
muottipuoliskot ohjataan ohjaustupien eli tässä tapauksessa kehystupien avulla toisiinsa.
Kuva 16.
Kehyksellinen kaavaus pohjitetulla mallilla. Muottipuoliskot ohjataan toisiinsa ohjaustupien, tässä tapauksessa jakopintatupien avulla. Jakopintatupit voivat olla irrallisia, kuten kuvan esimerkissä.
Ne voidaan kaavata myös hiekkaan, jolloin niistä käytetään nimitystä hiekkatupi. Muotin jakopinta muotoutuu mallipohjaa vasten.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 10
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kaavaus jaetaan käsin- ja konekaavaukseen sen mukaan tapahtuuko kaavaus käsityönä vai
kaavauskoneilla. Käsinkaavausmenetelmä valitaan esimerkiksi, jos valmistettavana on hyvin suuri
tai monimutkainen, konekaavaukseen sopimaton valukappale. Tai jos valmistettavana on kappale,
joka sopii käsinkaavauksessa käytettäville sideainejärjestelmille, sen sarjakoko ei ole kymmenien
tuhansien luokkaa ja hyväksi havaittu yhteistyövalimo soveltaa tätä tekniikkaa. Käsinkaavausta
sovelletaan paljon myös yksittäiskappaleiden ja lyhyiden sarjojen valmistuksessa, koska käsinkaavausmallit voidaan valmistaa konekaavausmalleihin verrattuna pienemmillä kustannuksilla ja
tuotannon käynnistäminen sujuu nopeammin.
Muottien käsinkaavauksessa käytetään useimmiten kylmänä kovettuvia, furaani- tai fenoliformaldehydihartsilla sidottuja hiekkoja, mutta tuorehiekan käyttö on myös mahdollista. Hartsihiekka
täytetään kaavauskehyksiin suoraan ruuvi- eli syöttösekoittimesta. Käsin kaavattava tuorehiekka
lasketaan sekoittimesta kaavauskehyksiin joko suoraan tai välivaraston kautta. Välivarastona voi
toimia nosturilla tai rullaradalla kuljetettava astia tai pienimuotoisessa kaavaustoiminnassa esimerkiksi kottikärryt.
Vaikka kaavausmenetelmä on manuaalinen, useat sarjatuotantovalimot soveltavat automaatiota
muottien käsittelyssä ja keernojen valmistuksessa. Muottipuoliskojen kääntö ja mallin irrotus voidaan esimerkiksi tehdä erityisen koneen avulla (Kuva 17). Pienet muotit voidaan käsitellä kokonaan
manuaalisesti. Isot ja painavat muotit on käsiteltävä nosturilla tai nosturiin kiinnitetyllä apuvälineellä, mikäli muita käsittelylaitteita ei ole (Kuva 18).
Muottien konekaavauksessa käytetään yksinomaan tuorehiekkaa. Konekaavaus sopii parhaiten
pienille ja keskikokoisille, sarjaluonteisesti valmistettaville ja suhteellisen yksinkertaisille valukappaleille. Valukappaleen on oltava yksinkertainen siten, että se voidaan valmistaa muottiin, jossa on
ainoastaan yksi jakopinta. Tuorehiekan kovettaminen tapahtuu puristusta, täristystä, alipainetta,
ylipainetta tai näiden yhdistelmiä käyttäen.
Keernat valmistetaan käsin tai konekaavauksena - riippumatta muottien valmistusmenetelmästä.
Keernojen konekaavaus tapahtuu keernatykillä. Keernatykki on laite, joka siirtää kaavaushiekan
keernalaatikkoon paineen avulla. Keernatykillä käytetään kaasulla kovetettavia sideainejärjestelmiä.
Kuva 17.
Pullakaavatun muotin koneellinen mallin irrotus ja koneellinen kääntö. Kuva:
https://www.youtube.com/watch?v=m20nRTMNL6U, Southern Aluminum Foundry & Machine, Inc.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 11
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 18.
Nosturiin kiinnitetty apuväline pullakaavatun muotin kääntämiseen ja sulkemiseen. Kuva:
https://www.youtube.com/watch?v=m20nRTMNL6U, Southern Aluminum Foundry & Machine, Inc.
Konekaavattava keernalaatikko on mahdollista täyttää hyvin pienistäkin aukoista (Kuva 20). Keernan muoto voi lisäksi olla hienopiirteinen ja monimutkainen. Käsin kaavattava keernalaatikko
vaatii suuret täyttöaukot ja suhteellisen yksinkertaiset muodot (Kuva 19). Käsin kaavattavat keernat
valmistetaan samoilla kemiallisesti kovettuvilla sideainejärjestelmillä kuin käsin kaavattavat muotit.
Muottiin valmistetaan kaavauksen yhteydessä valujärjestelmä. Valujärjestelmä koostuu täyttö- ja
syöttöjärjestelmistä sekä joissain tapauksissa myös ilmanpoistojärjestelmästä. Täyttöjärjestelmä
siirtää valumetallin muottionteloon. Syöttöjärjestelmä korvaa sulan metallin jähmettymisen aikana
tapahtuvan kutistuman. Ilmanpoistojärjestelmä tarvitaan, mikäli on epäilys, että muotin sisällä
valun aikana muodostuvat kaasut eivät pääse poistumaan esteettä.
Kuva 19.
Käsin kaavattava keernalaatikko. Laatikossa on oltava suhteellisen suuret täyttöaukot, jotta
hiekka on mahdollista täyttää kaikkiin laatikon muotoihin. Vasemmalla: Näkymä keernalaatikon sisälle.
Puoliskot ohjataan toisiinsa nohjausnastoilla ja lukitaan salvoilla. Oikealla: Keernalaatikko yhdessä täyttöasennossa. Keernan muodosta johtien laatikkoa on käännettävä täyttämisen aikana.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 12
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 20.
Simulaatio keernalaatikon täyttämisestä keernatykin avulla. Simulaatiossa käytetty keernatykki täyttää keernalaatikon sen päälle asettuvien suuttimien kautta. Kuvien lähde
https://www.youtube.com/watch?v=JUqXygYdxkM, Waupaca Foundry cold box core making,
http://www.waupacafoundry.com.
Kaavauskehykset
Lähteet: Keskinen Raimo - "Muotinvalmistustekniikka" ja Autere, Ingman & Tennilä - "Valimotekniikka II"
Muottihiekka lasketaan alustalla tai mallipohjalla olevan valumallin päälle kaavauskehyksen sisään.
Kehyksen tehtävänä on pitää hiekka muodossa sullonnan tai hiekan kemiallisen kovettumisen ajan.
Poikkeuksen muodostavat hyvin suuret valukappaleet, joille ei käytetä valukehyksiä. Suurikokoisen kappaleen muotti kaavataan yleensä maahan kaivettuun kuoppaan.
Kehys voidaan jättää paikoilleen tai poistaa muotista valun ajaksi. Mikäli kehys on valun aikana
paikoillaan, sen on käytännön syistä oltava metallista valmistettu. Kehyksettömässä valumenetelmässä voi käyttää myös palavasta materiaalista valmistettuja kaavauskehyksiä. Kehyksettömiä
muotteja tuottavaa menetelmää kutsutaan pullakaavaukseksi. Kemiallisesti kovettuvan hiekan
pullakaavauksessa kehys voi olla kevytrakenteinen, esimerkiksi vanerista valmistettu, koska
kaavaukseen ei käytetä suuria voimia. Tuorehiekan kaavauksessa on käytettävä metallisia kehyksiä
riippumatta siitä tapahtuuko kaavaus käsin vai koneellisesti.
Kaavauskehyksen koko valitaan kaavattavan valukappaleen mittojen perusteella. Kehyksellistä
menetelmää soveltavissa valimoissa on tietty kehyskokovalikoima, joka määrää tuotantoon parhaiten soveltuvien valukappaleiden mitat. Valu on taloudellista, kun hiekan ja metallin välillä on
sopiva suhde eli kun kaavauskehyksestä saadaan mahdollisimman suuri, mutta ei liian suuri määrä
myytävää valumetallia suhteessa käytetyn hiekan määrään. Jos kaavauskehys pakataan liian täyteen, valun laatu kärsii.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 13
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 21.
Kaavauskehyksiä. Vasemmalla olevassa kuvassa on konekaavauksessa käytettäviä metallikehyksiä. Oikealla olevassa kuvassa on pullakaavauksessa käytettäviä vanerikehyksiä.
Vaikka käsin kaavattu muotti voidaan koostaa useista muottikerroksista, kehyksellisessä valmistuksessa on ihanteellista pyrkiä käyttämään vain kahta muottikerrosta. Mikäli kappaleen muoto
vaatii useita muottikerroksia, se tulee valmistaa joko kehyksettömällä menetelmällä pullamuottina
tai keernapakettina. Keernapaketilla tarkoitetaan joko kokonaan keernoista koostettua muottia tai
muottia joka on toteutettu sekä muottipuoliskoilla että useista keernoista valmistetulla kokonaisuudella. Näin on meneteltävä siitä syystä, että muotin ”välikerroksissa” on jakopinta molemmilla
puolilla eikä useimmiten ole mahdollista löytää juuri sopivan korkuista kaavauskehystä, jolla
välikerros voitaisiin toteuttaa. Puisen pullakaavauskehän voi sen sijaan valmistaa minkä korkuiseksi tahansa.
Käsin kaavattava pullakaavauskehys voidaan valmistaa avattavana lukkokehyksenä (Kuva 22) tai
runsailla hellityksillä varustettuna täyttökehyksenä (Kuva 23). Lukkokehyksen yksi kulma on
varustettu saranoilla ja vastakkainen kulma lukkolaitteella. Kehys suljetaan lukkolaitteella
kaavauksen ajaksi ja avataan, jotta kehys voidaan poistaa. Täyttökehys on kiinteä kehä, jota ei avata.
Se voi olla kiinteästi malliin liitetty tai erillinen. Molemmissa tapauksissa kehys poistetaan mallia
irrotettaessa.
Kuva 22.
Lukkokehys pullamuotin valmistusta varten. Kehys on saranoitu ja lukittu salvoilla, joten
muotin sivuja ei ole tarpeen hellittää. Pulla käännetään joko kehykseen kiinnitetyistä nostokorvakkeista tai
tarkoitukseen erityisesti suunnitelluilla nostoapuvälineillä (Kuva oikealla, http://www.vulcangroup.com,
Donovan muotinkäsittelylaitteet.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 14
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 23.
Alamuotin täyttökehys ja sen avulla valmistettu pullamuotti. Täyttökehys on periaatteeltaan päältä avoin keernalaatikko. Kovettunut hiekkamuotti poistetaan kehyksestä kääntämällä ja kumoamalla.
Muottia käsitellään yleensä nostoapuvälineillä. Kuvassa olevan hiekkamuotin puoliskot ohjataan toisiinsa
reunusten avulla. Jakopintatupien ja hiekkatupien käyttö on myös mahdollista.
Kuva 24.
Alamuotin täyttökehyksen ja siihen
liitetyn valumallin poikkileikkauskuva. Muottipuoliskot ohjataan toisiinsa reunuksella. Reunuksen
tuottava muoto on merkitty kuvaan nuolella.
Kuva 25.
Kaavauskehyksiä.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 15
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 26.
Kaavauskehyksiä.
Metallisten kaavauskehysten rakenne
Kaavauskehysten tärkeimmät osat, itse kehyksen lisäksi, ovat:
−
−
−
−
−
ohjaustapit ja -holkit
hiekkarivat
hiekkalistat
nostoelimet
lukitusmekanismit
Ohjaustupien ja ohjausholkkien (Kuva 15 ja
Kuva 27) tehtävänä on ohjata kehykset sekä
mallin että toisiinsa nähden täsmälleen oikeaan
asentoon. Koska ohjausreiät kuluvat melko
nopeasti liian suuriksi, käytetään niissä usein
helposti vaihdettavia holkkeja.
Kuva 27.
Kaavauskehyksen ohjausholkki sekä
nosto- ja kääntötappi.
Hiekkaripojen (Kuva 28) tehtävänä on estää yläkehykseen sullottua hiekkaa putoamasta ja samalla ne
lisäävät kaavauskehyksen lujuutta. Hiekkarivat
mahdollistavat myös muotin tukemisen hiekkakoukuilla.
Nykyisten
kaavauskoneiden
puristusvoimat ovat jo niin suuria, ettei pienissä
muoteissa tai suurpainekaavattavissa muoteissa
tarvitse käyttää hiekkaripoja.
Kuva 28.
Hiekkarivoilla varustettu kaavauskehys.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 16
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kehysten täytyy olla muiltakin rakenneosiltaan niin lujia, etteivät ne muuta muotoaan sullotun
hiekan tai valumetallin paineesta ja että niitä voidaan kuljettaa tai kääntää muotin särkymättä.
Erityisesti suurpainekaavaus aiheuttaa tavanomaiseen kaavaukseen verrattuna monikertaisen
rasituksen. Seinämän jäykkyyttä lisätään ulkopuolisilla rivoituksilla tai muotoilulla.
Hiekkalistat. (Kuva 29) Kehysten seinämien
sisäpuolet muotoillaan siten, ettei kovettunut
hiekkakakku pääse putoamaan sen sisältä.
Suoriin sisäseinämiin lisätään putoamista estävät hiekkalistat, jotka samalla lisäävät kehyksen
jäykkyyttä. Jos kaavauskehyksen seinämä on
muotoiltu muuten (esim. jos kehys on valmistettu muototeräksestä hitsaamalla), ei hiekkalistoja
tarvita vaan hiekka pysyy muotissa ilman
hiekkalistojakin.
Kuva 29.
Kaavauskehyksen hiekkalistat.
Nostoelimet. (Kuva 30 ja Kuva 31) Nostamisen ja kääntämisen helpottamiseksi kaavauskehyksen
varustetaan niiden koosta riippuen joko nostokahvoilla tai -korvakkeilla sekä nosto- ja kääntötapeilla.
Kuva 30.
minen.
Kaavauskehyksen nostoelimet. Vasemmalla: Muotin sulkeminen. Oikealla: Muotin siirtä-
Kuva 31.
Nostoelimet. Kaavauskehyksen kääntö.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 17
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Lukitusmekanismit. Sula metalli aiheuttaa nostevoiman pyrkien nostamaan muotin yläpuoliskoa
ylöspäin, jolloin muotti voi vuotaa jakopinnastaan. Yksinkertaisin tapa ehkäistä tätä on laittaa
muotin päälle painoja. Koska niiden käsittely on rakasta, on kehitetty erilaisia mekanismeja, jolla
kehyksen saadaan lukittua toisiinsa.
Kuva 32.
Kaavauskehysten lukitseminen.
Valumallit
Lähde: Tiainen, Tuomo - "Valimotekniikan perusteet"
Kertamuottimenetelmissä tarvitaan valumalli, jota käyttäen valumuotti valmistetaan eli kaavataan.
Valumalli on haluttua valukappaletta muistuttava kokonaisuus, joka poikkeaa varsinaisesta valukappaleesta mitoiltaan (kutistumat) ja geometrialtaan (päästöt eli hellitykset). Yleisin
mallimateriaali on edelleen puu, mutta myös muovi-, metalli- ja kertakäyttöisiä (esim. styrox)
valumalleja sekä kipsimalleja on käytössä mm. käytetystä kaavausmenetelmästä riippuen.
Pienet ja keskisuuret mallit kiinnitetään useimmiten mallipohjiin. Pohjitettu malli tuottaa paremmat
tarkkuudet valukappaleille. Irrottaminen muotista on myös helpompaa kuin irtomallin tapauksessa. Mallipohja on levy, joka vastaa muotin jakopintaa. Siihen kiinnitetään kaikki muutkin tarvittavat
osat kuten kanavisto, syöttöjärjestelmä ja kohdistusmerkit. (Kuva 33- Kuva 35)
Kuva 33.
Mallipaletti, johon konekaavauksen
mallit ja mallipohja kiinnitetään.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 18
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 34.
Jaetun konekaavausmallin puolikkaat mallipohjiin ja paletteihin kiinnitettyinä. Vasemmalla:
Ylämuotin mallipuolisko valujärjestelmineen ja syöttöineen. Oikealla: Alamuotin mallipuolisko.
Kuva 35.
Konekaavausmallit odottavat siirtymistä automaattikaavauslinjan kaavauskoneeseen.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 19
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Muotin täyttöjärjestelmä
Alkuperäinen teksti, Seija Meskanen
Täydennys ja muokkaus, Tuula Höök, 7.10.2015
Täyttöjärjestelmä koostuu seuraavista osista:
−
−
−
−
−
Kuva 36.
kaatoallas tai kaatosuppilo
kaatokanava
jakokanava
valukanavat (eli sisäänmenot)
lisäksi täyttöjärjestelmään voi kuulua kuonanerottimia ja suodattimia sekä kaasukanavia
Tyypillinen valumuotin täyttöjärjestelmä.
Edellä olevassa kuvassa (Kuva 36) on kaaviollisesti esitetty tyypillinen painovoimaa hyväksikäyttävä valumuotin täyttöjärjestelmä. Useimmiten jakokanava pyritään sijoittamaan ylämuottiin ja
valukanavat eli sisäänmenot alamuottiin, kuten periaatekuvassa. Käytännössä joudutaan kuitenkin
tekemään kompromisseja kappaleen muotojen tarjoamien mahdollisuuksien ja täyttöjärjestelmän
optimaalisen toiminnan suhteen.
Kaatokanavasta putoavan metallin virtauksen rauhoittamiseksi käytetään usein laajennusta kaatokanavan ja jakokanavan liittymäkohdassa. Virtausolosuhteita voi parantaa lisää liittämällä
jakokanavan ja laajennuksen rampilla toisiinsa (Kuva 37).
Edullista on se, että muotin täyttyessä sulan virtaus kanavistossa sekä muotissa on mahdollisimman
rauhallinen (laminaari). Pyörteilevä (turbulentti) virtaus kuluttaa kanavistoa ja muottia, sekoittaa
kaasuja ja kuonaa sulaan sekä aiheuttaa sulan hapettumista. Virtauksen käyttäytymistä tutkitaan
sopivalla simulointiohjelmalla.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 20
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 37.
jakokanavaan.
Kanavisto, johon on liitetty sulan virtausta ohjaava ramppi kaatokanavan laajennuksesta
Jako- ja valukanavat voidaan leikata ja hioa valmiiksi kaavatun muotin jakopintaan, valmistaa
kanavistotiilistä tai liittää ne mallipohjiin. Hiominen ei ole suositeltavaa, koska mallia vasten kaavattu hiekka takaa paremman pinnanlaadun ja vähentää kanaviston kulumista sulan virtauksen
johdosta. Jos kaatokanava valmistetaan mallin avulla, malli asennetaan muottiin kaavauksen yhteydessä siten, että se voidaan vetää pois yläkautta. Kaatokanavan on muutenkin oltava
muodoltaan alaspäin suppeneva kartio, jotta se pysyisi täynnä valun yhteydessä.
Kanaviston suunnittelua varten valitaan aluksi sopiva muotin täyttöaika (tai tilavuusvirta) ja virtausnopeus. Muotin täyttöaika valitaan siten, että tilavuusvirta ei kasva liian suureksi sekä siten,
että kappaleen ohuimmat osat eivät jähmety ennenaikaisesti. Seuraavissa kuvissa (Kuva 38 ja Kuva
39) on esitetty suosituksia muotin täyttöajan eli valuajan valintaan. Ohutseinämäisille kappaleille
voi käyttää jonkin verran pienempiä täyttöajan arvoja.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 21
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 38.
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 113.
Kuva 39.
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuvat 114 ja 115.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 22
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Virtausnopeus muotin ja kanaviston sisällä pyritään saamaan 1 – 2 m/s tasolle. Tähän päästään
asettamalla kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala siten, että muotin täyttämiseksi vaadittava sulamäärä virtaa valitun täyttöajan puitteissa kaatokanavan läpi nopeudella 1 – 1,5 m/s. Poikkipinta-ala
lasketaan tällöin kaavalla
V
qv
A=
= t
v
v
, jossa A = kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala
V = valukappaleen tilavuus
t = täyttöaika
v = virtausnopeus
qv = tilavuusvirta
Taulukko 1.
Autere-Ingman-Tennilä:
Valimotekniikka II, taulukko 18.
Kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala, jakokanavien
yhteenlaskettu poikkipinta-ala ja valukanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala mitoitetaan suhteessa toisiinsa siten,
että kanavistosta tulee joko paineellinen tai paineeton. Jos
valukanavien yhteenlaskettu pinta-ala on pienempi kuin
jakokanavan, kanavisto on paineellinen. Paineellista
kanavistoa käytetään valuraudoille, teräksille sekä kuparimetalleista
tinapronsseille,
messingeille
ja
punametalleille. Paineetonta kanavistoa käytetään herkästi hapettuville metalleille: runsasseosteiset valuteräkset,
alumiiniseokset, pii- ja mangaanipronssit. Poikkipintaalojen suhdetta kutsutaan täyttösuhteeksi. Oheinen taulukko (Taulukko 1) esittää suositeltavia täyttösuhteita eri
valumetalleille. Taulukkoa luetaan siten, että äärimmäisenä vasemmalla on kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala,
keskellä jakokanavan poikkipinta-ala ja äärimmäisenä
oikealla valukanavan poikkipinta-ala.
Esimerkki. Pallografiittivaluraudasta valmistettavan kappaleen ja sen valukkeiden yhteenlaskettu
massa on 586 kg. Kaavioiden perusteella valitaan täyttöajaksi (t) 20 sekuntia. Kaatokanavan alaosan
virtausnopeudeksi pyritään saamaan 1 m/s. Lasketaan kaatokanavan alaosan poikkipinta-ala,
jakokanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala ja valukanavien yhteenlaskettu poikkipinta-ala.
Pallografiittivaluraudan tiheys on noin 7300 kg/m3. 586 kg painavan kappaleen ja valukkeiden
yhteenlaskettu tilavuus V on tällöin:
586 kg / 7300 kg/m3 ≈ 0,08027 m3.
Tilavuusvirta qv on valitun täyttöajan perusteella:
V/t = 0,08027 m3 / 20 s = 0,0040135 m3/s.
Jotta virtausnopeudeksi v kaatokanavan alaosassa, saadaan 1 m/s, täytyy alaosan poikkipinta-alaksi
Ak ottaa:
Ak = qv/v = (0,0040135 m3/s) / (1 m/s) = 0,0040135 m2 = 4014 mm2.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 23
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Jos käytetään täyttösuhdetta 1:1,5:1,2, jakokanavien yhteenlasketuksi pinta-alaksi Aj saadaan:
Aj = 1,5 x Ak = 1,5 x 4014 mm2 = 6021 mm2.
Ja valukanavien yhteenlasketuksi poikkipinta-alaksi Av:
Av = 1,2 x Aj = 1,2 x 6021 mm2 = 7225 mm2.
Kuonanerottimet ja suodattimet
Kuonanerottimien tarkoituksena on estää kuonan pääsy muottiin. Niihin saadaan kerättyä mm.
kanavistosta irtoavaa hiekkaa ja metallin hapettuessa syntyneitä oksideja. Kuonanerottimia ovat
kuonaesteet, -loukut, umpikanavat ja suodattimet.
Suodattimilla parannetaan valujen laatua: pinnanlaatua, mekaanisia ominaisuuksia ja mittatarkkuutta. Suodattimien käytöllä voidaan vähentää koneistuksen tarvetta ja siinä ilmeneviä ongelmia.
Kovia sulkeumia muodostuu vähemmän ja työstöterät kestävät hyvin. Jos valukappaleen pinnasta
tai aivan pinnan alta paljastuu sulkeumia koneistuksessa, on valukappaleeseen sitoutunut jo huomattavasti kustannuksia.
Suodattimet voidaan jakaa esimerkiksi vaahtosuodattimiin, kangassuodattimiin ja siiviläsuodattimiin (Kuva 41). Kangas- ja siiviläsuodatin ovat toiminnaltaan samankaltaisia. Sula virtaa
yhdensuuntaisten reikien läpi eikä suodatin vaikuta sen virtausnopeuteen. Suodattuminen tapahtuu suodattimen pinnalla, minkä seurauksena kangas- ja siiviläsuodattimet tukkeutuvat helposti.
Vaahtosuodattimilla suodattuminen tapahtuu materiaalin koko paksuudella. Niiden tehollinen
pinta-ala on suurempi kuin vastaavien kokoisten kangas- ja siiviläsuodattimien. Vaahtosuodattimien etuna on myös sulan virtausnopeutta hidastava ja turbulenttista virtausta estävä vaikutus.
Tämän ansioista sulassa olevilla kaasuilla on mahdollisuus poistua ja kaasuvikojen esiintymistodennäköisyys pienenee. Turbulenttisen virtauksen vähentyessä sulan metallin reoksidoituminen ja
syntyvän kuonan määrä vähenee. Vaahtosuodattimet puhdistavat myös pienempiä sulkeumia kuin
laskennallisen huokoskoon perusteella olisi ennustettavissa. Puristetut ja pursotetut suodattimet
pysäyttävät sulkeumista vain ne, jotka ovat suurempia kuin niiden huokoskoko.
Kuva 40.
Syöttökupu, jossa on suodatin. Kaataminen syötön kautta.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 24
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
a) Vaahtosuodatin
b) Siiviläsuodattimia
c) Suodatinkangas
d) Erikokoisia vaahtosuodattimia
Kuva 41.
Erityyppisiä suodattimia. Vaahto- ja siiviläsuodattimet sekä suodatinkangas.
Jotta suodattimesta olisi hyötyä:
−
−
−
tulee se sijoittaa oikeaan kohtaan muotissa (1)
sen tulee olla oikean kokoinen sekä halkaisijaltaan ja paksuudeltaan että (2)
hienoudeltaan (=huokoskoko). (3)
1.
Suodatin kannattaa sijoittaa niin lähelle valukappaletta kuin mahdollista - tyypillisesti jakokanavaan. Suodatin voidaan asettaa joko vaaka- tai pystysuoraan (Kuva 42). Valintaan vaikuttaa metalli, sen virtausnopeus, käytettävissä oleva tila sekä valun puhtaus- ja
tiiveysvaatimukset.
2.
Suodattimen koon valinnassa on kiinnitettävä huomiota kahteen tekijään:
−
−
Metallin virtausnopeuteen: valulle on yleensä määritelty kriittinen kaatoaika ja optimaalinen kaatonopeus (=metallimäärän paino / kaatoaika). Kaikki
vaahtosuodattimet aiheuttavat vastusta metallin virtausnopeudelle, mutta valikoimalla oikea suodattimen koko vastus voidaan minimoida. Suodattavan pinnan
kokonaispinta-alan pitäisi olla vähintään 5 - 6 kertaa kaatokanavan halkileikkauksen pinta-ala.
Suodattimen läpi virtaava metallimäärä ennenkuin se tukkeutuu: Tukkeutuneen
suodattimen läpi virtaava metallimäärä vähenee dramaattisesti tai jopa loppuu kokonaan. Tukkeutuminen johtuu sulkeumien kerääntymisestä suodattimeen. Se
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 25
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
kuinka suuri metallimäärä virtaa suodattimen läpi ennenkuin se tukkeutuu riippuu
valumetallista, sen puhtaudesta, valulämpötilasta, suodattimen hienoudesta ja täyttöjärjestelmästä.
3.
Vaahtosuodattimia on saatavana eri hienousasteita. Hienoimmalla saadaan puhtainta sulaa,
mutta sen on oltava suurikokoinen (halkaisijaltaan) sen suuremman metallin virtausta vastustavan vaikutuksen takia. Lisäksi koska se pidättää pienempiä sulkeumia, tulee pintaalan olla suurempi, jotta vältetään suodattimen tukkeutuminen.
Kuva 42.
Tapoja sijoittaa suodatin valukanavistoon.
Kaasukanavat
Kaasukanavat täydentävät muotin täyttöjärjestelmän toimintaa. Niiden tehtävänä on poistaa ilma
muotin ontelosta sekä estää kaavaus- ja keernahiekasta erkautuvan vesihöyryn ja sideaineitten
palamiskaasujen sekoittuminen sulaan metalliin. Kevytmetallien valussa syntyy muottikaasuja
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 26
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
vähemmin alhaisten lämpötilojen takia. Ne pitää kuitenkin saada poistetuksi, koska kevytmetallien
alhaisen tiheyden takia kaasut tunkeutuvat helposti sulaan metalliin.
Syntyvät kaasut poistuvat avonaisten syöttökupujen ja vartavasten tehtyjen kaasunpoistokanavien
kautta. Ellei avoimia syöttökupuja ole, on umpinaisista syöttökuvuista syytä painaa kaavattaessa
suurehkot ilmakanavat muotin yläosan läpi. Kappaleen kohdalla voidaan käyttää vain pieniä pyöreitä tai litteitä kaasukanavia, koska suurehkojen kaasukanavien juureen tai alle valukappaleeseen
syntyy usein imua tai puhallusta. Muotin kaasunläpäisykykyä parantavat kaasureiät tulisi pistellä
mieluimmin sullotun kaavauskehyksen yläpinnasta malliin päin, mutta ei malliin saakka. Kanavat
pysyvät silloin auki vielä valun päätyttyäkin, eikä niihin muodostu puhdistustyötä lisääviä metallitappeja. Muotin jakopintaan tulee varata riittävän avarat kaasukanavat keernansijojen kohdalle
keernasta tulevien kaasujen vapaan poistumisen varmistamiseksi. Keernojen kaasukanavista on
kerrottu enemmän otsikon "Keernojen kaasukanavat" alla.
Syöttöjärjestelmä
Alkuperäinen teksti, Seija Meskanen
Täydennys ja muokkaus, Tuula Höök, 7.10.2015. Tekstiä on täydennetty lähteen Autere-Ingman-Tennilä:
Valimotekniikka II, luku 2 pohjalta siten, että on otettu huomioon nykyiset mahdollisuudet hyödyntää 3DCAD suunnittelua ja valunsimulointiohjelmistoja.
Teoriatausta
Kaikki metallit kutistuvat sulassa tilassa ja yhtä poikkeusta lukuunottamatta jähmettyessään. Jotta
kutistuminen ei aiheuttaisi ainevajausta ja muita kutistumavikoja, on muottiin täytettyä sulaa
tarpeen syöttää. Syöttötarpeen määrä riippuu valumetallin jähmettymismorfologiasta, jähmettymiskutistumasta, muottimateriaalista, kaavausmenetelmästä ja valukappaleen muodosta.
Syöttöjärjestelmä koostuu:
−
−
−
syöttökuvuista
syöttötäytteistä ja
jäähdytyskappaleista
Syöttöjärjestelmän osat valmistetaan irrallisista osista, jotka kiinnitetään malliin valmistettuihin
kiinnityskohtiin ennen kaavausta (ks. oheisia kuvia). Mallien avulla valmistettujen syöttökupujen
mallit on voitava poistaa muotista kaavauksen jälkeen. Syöttökuvun voi siis valmistaa kaavaamalla
mallin avulla, mutta sen voi valmistaa myös käyttämällä erillisiä syöttökupuja, jotka jätetään
kaavauksen yhteydessä muottiin. Erilliset syöttökuvut voivat olla lämpöä kehittäviä tai eristäviä.
Syöttökuvut voivat olla avoimia tai suljettuja. Suljetut umpikuvut ovat kokonaan muottiaineen
ympäröimiä. Avoimet syöttökuvut aukeavat muotin yläpintaan.
Syöttökupu tai -kuvut voidaan asettaa kappaleen päälle tai sivulle jakopinnan kohdalle. Englanninkieliset termit ovat ”top feeder” ja ”side feeder”. Kappaleen päällä olevalle syötölle ei ole
olemassa erityistä suomenkielistä termiä. Kappaleen sivulla olevaa syöttöä kutsutaan sivusyötöksi.
Syöttötäytteet ovat ainepaksuuden lisäyksiä, joiden tehtävänä on varmistaa sulan metallin häiriötön
virtaus muotin kaikkiin osiin. Valumetalleilla on tietty syöttömatka. Jos kappaleen pituus ylittää
tämän arvon, muodostuu kappaleeseen alue, johon syntyy imuhuokoisuutta. Imuhuokoisuus
voidaan estää lisäämällä tälle alueelle syöttötäyte.
Jäähdytyskappaleiden eli kokillien tehtävänä on nopeuttaa jähmettymistä paikallisesti, jotta suunnattu jähmettyminen toteutuu. Toisinaan niitä käytetään aikaansaamaan valukappaleen tiettyyn
kohtaan hienojakoisempi mikrorakenne. Valuvikojen välttämiseksi kokillien tulee olla ruosteettoTarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 27
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
mia, rasvattomia ja kuivia. Jäähdytyskappaleita varten malliin tehdään lisäys, jonka kohdalle kokilli
kaavauksen jälkeen sijoitetaan.
Syötön tarpeen arviointiin käytetään nykyisin simulointiohjelmistoja joko pelkästään tai moduulilaskentaan yhdistettynä. Moduulilla tarkoitetaan valukappaleen tai sen osan tilavuuden ja lämpöä
pois johtavan ulkopinnan pinta-alan suhdetta. Sillä arvioidaan valukappaleen tai sen osan jäähtymispotentiaalia. Ajatuksena on, että suuri ulkopinta-ala johtaa lämpöä tehokkaasti siinä missä pieni
ulkopinta-ala on vähemmän tehokas. Näin ollen ne osat valukappaletta, joissa moduuli on suuri,
jäähtyvät hitaammin kuin osat, jossa moduuli on pieni. Todellisuudessa tilanne ei ole näin yksinkertainen, koska ulkopinnan muoto vaikuttaa lämmön johtumiseen. Esimerkiksi sisänurkka johtaa
lämpöä huonommin pois kappaleesta kuin pinta-alaltaan samansuuruinen ulkonurkka.
Moduulin M yksikkö on cm. Se lasketaan kaavalla:
V
M= .
A
Kaava on yksinkertainen, mutta CAD -ohjelmistoja edeltävänä aikana on ollut erittäin työlästä
määrittää muodoiltaan monimutkaisen tilavuuskappaleen tilavuutta ja sen pinnan pinta-alaa. Tästä
syystä moduulia pyrittiin arvioimaan jakamalla kappale yksinkertaistettuihin muotoihin, kuten
levyihin, palloihin, palkkeihin ja putkiin. Nykyiset simulointiohjelmat laskevat moduulin osana
jähmettymislaskentaa, mutta CAD -ohjelmistoilla voi myös tehdä alustavia arvioita suhteellisen
helposti.
Valukappaleen valuasento ja syöttöjen paikat pyritään
yleensä asettamaan siten, että suuremman moduulin
alueen on mahdollista syöttää pienemmän moduulin
aluetta. Heuversin ympyräsääntö liittyy tähän ohjeeseen.
Ympyräsäännön mukaan valukappaleen poikkileikkaukseen piirrettyjen ympyröiden on päästävä vapaasti
siirtymään syöttökupuihin päin (Kuva 43).
Kuva 43.
kuva 70.
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II,
Seinämän riittävää kaltevuutta voi pyrkiä arvioimaan ja toteuttamaan seuraavilla tavoilla 1:
−
−
−
−
seinämistä kohti kappaleen keskustaa ja yläosia etenevien jähmettymisrintamien välillä
on kulma; jähmettymisrintamat eivät saisi olla yhdensuuntaiset
seinämänpaksuuden (syöttötäytteen) pitäisi lisääntyä 0,2 moduulin verran 4 moduulin
matkalla; Ableidingerin nyrkkisääntö
edelliseen tulokseen päästään, jos seinämänpaksuus kasvaa 5 % seinämän korkeusmittaa kohden
Steinin käyrästö (Kuva 44)
Käytännön valukappaleiden jähmettyminen ei ole yksinkertaista siten, että Heuversin ympyräsäännön noudattaminen läheskään aina johtaisi toivottuun lopputulokseen. Sen myötä kehitettyjen
suunnittelusääntöjen ja periaatteiden avulla tulee ensi sijaisesti pyrkiä korjaamaan simuloinnissa
1
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, luku 2.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 28
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
ilmi tulleita ongelmia eikä tekemään kappaleen perusmuotoilua. Esimerkiksi syöttötäytteet voi
mitoittaa tällä tavoin.
5 % seinämänvahvuuden
lisäystä vastaava käyrä
Kuva 44.
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 72.
Syöttökuvun kaulan moduulin tulee olla jonkin verran pienempi kuin varsinaisen syöttävän osan
moduuli. Esimerkiksi teräksillä suhteeksi voidaan ottaa Mkappale:Mkaula:Mkupu = 1,0:1,1:1,2 2. Muilla
materiaaleilla suhde on samaa luokkaa. Koska kaulan moduuli ja mitoitus on eräs tärkeimmistä
syötön onnistumiseen vaikuttavista tekijöistä, sitä voi pitää suunnittelun lähtökohtana. Jäljempänä
esitetään kaavioita, joilla voi arvioida kaulan halkaisijaa suhteessa kuvun syöttävän osan halkaisijaan.
2
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, luku 2.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 29
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Yksittäinen syöttökupu syöttää tietyn valumateriaalista ja kappaleen seinämänpaksuudesta riippuvan
matkan. Matkaa kutsutaan syöttökuvun vyöhykkeeksi. Kappaleen reuna-alue laajentaa syöttökuvun
vyöhykettä jonkin verran. Syöttökuvun vyöhykettä
ja siihen yhdistettyä reuna-aluetta kutsutaan kokonaissyöttömatkaksi. Jos kahdella tai useammalla
syöttökuvulla tiivistetään laajaa levymäistä aluetta,
kupujen välille ei muodostu reunavaikutusta. Kunkin kuvun syöttömatka on tällöin ainoastaan
vyöhykkeen levyinen ja kahden kuvun välimatkaksi
tulisi asettaa vyöhykkeen leveys kahdella kerrottuna. Vyöhyke alkaa syöttökuvun kaulan reunasta, ei
siis keskipisteestä. Seuraava kuva (Kuva 45) selventää
lueteltuja
yksityiskohtia.
Arvoja
eri
valumetalleista valmistetuille vaakasuorille levymäisille valukappaleille esitetään seuraavassa
taulukossa (Taulukko 2). Pystysuorille seinämille
käytetään samoja tai hieman suurempia arvoja.
Taulukko 2.
Autere-Ingman-Tennilä:
niikka II, taulukko 12.
Kuva 45.
Valimotek-
Syttökuvun vyöhykkeen, reunavyöhykkeen ja kokonaissyöttömatkan muodostuminen
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 30
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Syöttötarpeen arviointi simulointiohjelman avulla
Simulointiohjelmiston avulla voi arvioida syöttötarvetta seuraavien vaiheiden kautta:
1.
Valitaan valukappaleelle valuasento siten, että
a. paksuimmat kohdat eli käytännössä kohdat, joissa moduuli on suurin, pyritään
asettamaan ylimmäksi
b. pinnanlaadultaan ja lujuusominaisuuksiltaan vaativimmat kohdat pyritään asettamaan alimmaksi
c. kappaleeseen löytyy mahdollisimman yksinkertainen jakolinja, jonka kahta puolen
kappale hellittyy siten, että muotin osien määrä on taloudellinen
d. jakolinjalle voi asettaa valukanavan siten, että virtauskorkeus muotin sisällä ei
muodostu kohtuuttomaksi
e. kappaleeseen ei jää paksuja kohtia ohuiden kohtien ympäröimäksi siten, että syöttäminen ei onnistu
f. keernoille saa laadittua hyvät kannat jakopinnan tasalle tai kappaleen ylä- ja alapuolelle
g. kaikki keernat on tarpeeksi tuettu siten, että ne eivät pyri taipumaan tai kellumaan
muotin sisällä
2.
Tehdään kappaleelle jähmettymislaskenta valitussa valuasennossa
3.
Analysoidaan seuraavat:
a.
b.
c.
d.
e.
4.
Hot Spotit eli pisimpään kuumina pysyvät kohdat
huokoisuusennuste
jähmettymisen eteneminen
lämpötilat jähmettymisen aikana
moduuli
Jos simulointiohjelmiston tulos osoittaa, että:
a. kappaleen sisäosissa ei ole haitallista huokoisuutta syöttöjen ulottumattomissa
b. pisimpään kuumina pysyvät kohdat sijaitsevat pääosin kappaleen yläosissa tai niihin voi ulottaa syötön
c. jähmettymisrintama ei hajoa haitallisesti
d. jähmettyminen etenee kappaleen yläosien suuntaan,
siirrytään syöttöjen mitoitukseen, muussa tapauksessa vaihdetaan valuasentoa ja tehdään
uusi laskenta. Ellei valuasennon vaihtaminen tuota suotuisaa tulosta, kappaleen muotoilua
täytyy muuttaa. Muotoilun muuttamisen voi perustaa esimerkiksi edellä esitettyyn
Heuversin ympyräsääntöön tai moduulien kasvattamiseen.
Syöttöjen mitoittaminen
Syötöt asetetaan kappaleeseen niille kohdin, joihin simulointiohjelma osoittaa huokoisuutta. Syötöt
voi asettaa kappaleen päälle tai sivuille. Kappaleen huokoisuutta muodostava osuus sijoittuu yleensä:
−
−
−
−
ylimmäksi
paikalliseen, pitkään kuumana pysyvään kohtaan
ympäröiviä seinämiä paksumpaan kohtaan, vaikka se ei keräisi lämpöä tai pysyisi pitkään kuumana
seinämien keskilinjoille
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 31
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Seinämien keskilinjoilla olevaa huokoisuutta eli keskilinjahuokoisuutta ei useimmiten voi poistaa.
Haittojen ilmetessä sitä voi yrittää siirtää, mutta kokonaan se ei poistu. Kappaleessa on seinämän
sisällä aina jokin kohta, joka jähmettyy viimeisenä siten, ettei syöttömetalli pysty korvaamaan
kutistuman aiheuttamaa materiaalipuutosta.
Syöttöjen mitoitus aloitetaan arvioimalla syötettävän kohdan moduuli ja valitsemalla sen jälkeen
moduuliin sopiva kaulan mitta. Syötettävän kohdan moduuli selviää simulointiohjelmiston jähmettymislaskennan tuloksista, mutta sitä voi arvioida myös matemaattisesti. Sylinterin muotoisen
kaulan moduuli (Mkaula) on suunnilleen luokkaa Mkaula = d/4 = r/2, kun d on kaulan halkaisija ja r on
kaulan säde. Muun osuuden voi mitoittaa seuraavien kaavioiden perusteella (Kuva 46, Kuva 47 ja
Kuva 48).
Kuva 46.
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 88.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 32
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 47.
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 89.
Kuva 48.
Autere-Ingman-Tennilä: Valimotekniikka II, kuva 90.
Kun kaulan koko ja syötön mitoitus on selvillä, tutkitaan materiaalin ja seinämänpaksuuksien
perusteella, kuinka pitkän matkan yksittäinen kupu pystyy syöttämään. Kupuja lisätään tuloksen
perusteella. Tämän jälkeen kupujen mitoitus tarkastetaan simulointiohjelman jähmettymislaskennan avulla ja tehdään tarvittavat korjaavat toimenpiteet. Korjaaviin toimenpiteisiin voi joutua
liittämään vielä tässäkin vaiheessa kappaleen uudelleen muotoilemisen, vaikka pääosin tulisi keskittyä syöttöjen koon ja lukumäärän optimointiin.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 33
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 49.
Erilaisia syöttökupuja
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 34
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 50.
Erilaisia syöttökupuja
Kauluskeerna
Kuva 51.
Erilaisia syöttökupuja
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 35
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kuva 52.
Erilaisia syöttökupuja
Keernatuet
Keernatukien eli keernapallien päätehtävänä on pitää muottiin asennetut keernat paikoillaan kappaleen valu- ja jähmettymisvaiheen aikana. Yleensä niiden käyttöä pyritään välttämään. Keernojen
pitäisi pysyä paikoillaan ensisijaisesti keernakantojen ja -sijojen avulla. Keernatukia voidaan joutua
käyttämään kaavauksessa, jos keerna on pitkä ja ohut. Tällaisissa tapauksissa metallin nostevoima
voi, ilman että keernaa tuetaan, aiheuttaa keernan nousemisen tai sen vääristymisen.
Keernatukia on saatavana useita erilaisia malleja. Niiden valinnassa tulee ottaa huomioon sen
kantokyky, sulautuvuus ja sen mahdollisesti aiheuttamat haitat. Keernatukien on oltava riittävän
lujia kestääkseen sulan aiheuttamat voimat sekä niiden on kestettävä sulamatta valumetallin lämpötila. Tällä tarkoitetaan sitä, että niiden kantokyky ei saa sulamisen takia heikentyä ennenkuin
metalli tuen ympärillä on jähmettynyt. Keernatukien pitää kuitenkin sulautua valumetalliin kiinni
ennen, kuin metalli jähmettyy. Sulautumisen parantamiseksi sekä myös hapettumisen estämiseksi
keernatuet pintakäsitellään puhtaalla tinalla. Keernatuet voivat aiheuttaa valukappaleeseen myös
valuvikoja. Jos ne ovat liian massiivisia, ne voivat toimia jäähdytyskappaleiden tavoin. Tällöin ne
aiheuttavat kylmäjuoksuja ja ei-toivottuja muutoksia mikrorakenteeseen. Jos keernatuki ei sulaudu
kunnolla valumetalliin, ei valukappaleesta tule tiivistä.
Muottien vahvistaminen
Suuret muotit ja erityisesti syvät polvanat vahvistetaan tarvittaessa hiekkakoukuilla ja muottiontelon heikot kohdat muottinauloilla. Hiekan putoamisen estämiseksi hiekkaripoihin kiinnitetään
teräksisiä hiekkakoukkuja. Hiekkakoukut eivät saa ulottua liian lähelle muottionteloa jotteivät ne
toimi jäähdytyskappaleina. Muottiontelon heikot kohdat saattavat murtua sulan metallin vaikutuksesta. Tällaiseen kohtaan asetetaan teräksinen muottinaula. Esimerkkinä tällaisesta voidaan mainita
hammaspyörän muotti, jossa hampaiden välit vahvistetaan usein nauloilla. Naula on painettava
muottiin siten, että se on tasan muotin pinnan kanssa. Muuten valukappaleen vastaavaan kohtaan
muodostuu joko kohouma tai syvennys.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 36
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Muotin purku
Kertamuottimenetelmissä valoksen jähmetyttyä muotti rikotaan valoksen ympäriltä ja valos erotetaan ja puhdistetaan muotti- ja keernamateriaaleista. Ennen muotin purkua valoksen annetaan
kuitenkin jäähtyä halutun ajan muotissa. Etenkin hiekkamuotteihin valettaessa valoksen pitäminen
muotissa pitkittää valun jäähtymistä, mikä on usein toivottavaa jo pelkästään valujännitysten välttämiseksi. Pikainen muotin purkaminen voi vastaavasti olla tarkoituksenmukaista, jos halutaan
nopeuttaa jäähtymistä esimerkiksi tietyn mikrorakenteen saavuttamiseksi.
Kertamuottimenetelmissä, etenkin sarjatuotannossa hiekkavalumuottiin, purkaminen sekä hiekan ja
valoksen erottaminen toisistaan tapahtuu nykyään hyvin pitkälti koneellisesti. Pienten valujen
(esim. tarkkuusvalujen tms.), yksittäisten valujen tai suurten (kuoppaan valettavien) valosten purku
voi kuitenkin tapahtua myös osin tai kokonaan käsityönä. Koneelliseen purkamiseen ja puhdistamiseen hyödynnetään erilaisia ulostyöntölaitteita, tärystimiä (tärystinristikkoja), rumpuja sekä
sinkopuhdistuslaitteita. Tarkoituksena on yleensä samassa yhteydessä myös hajottaa muottihiekan
kokkareet ja keernat. Erotettu hiekka siirretään hiekkakiertoon. Keernahiekka voi erottua eri vaiheissa muotin purkua ja valoksen puhdistusta. Riippuu myös keernamateriaalista itsestään, miten
keerna hajoaa jo valussa valumetallin kuumuuden vaikutuksesta ja tämän jälkeen muotin purkamisen ja valun puhdistuksen yhteydessä. Keernojen hajottamisen ja poistamisen toteutuksella on myös
osavaikutuksensa siihen, miten paljon (muottihiekasta poikkeavaa) keernahiekkaa ja sen sideainetta
joutuu hiekkakiertoon.
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 37
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
Kaavausperäiset valuviat
Suomen Metalliteollisuuden Keskusliiton tekninen tiedotus 3/85 "Valuvirhekäsikirja syyanalyysein"
Tällä sivulla käytettävien valuvikojen kirjain-numeroyhdistelmät viittaavat Suomen Metalliteollisuuden Keskusliiton teknisen tiedotuksen 3/85 "Valuvirhekäsikirja syyanalyysein" mukaan tehtyyn
taulukkoon.
Taulukko 3.
Valuviat METn 3/85 mukaan
A
Yleiset mittaviat
B
Siirtymäviat
C
Muotoviat
D
Valukappaleesta puuttuu ainetta
E
Ulospäin suuntautuvat pintaviat
F
Sisäänpäin suuntautuvat pintaviat
G Imuviat
H
Kaasurakkulat
I
Sulkeumat
K
Sulautumisviat
L
Halkeamat
M Valuraudan rakenneviat
N
Muut rakenneviat
O Puhdistusviat yms.
A1. Mittaviat, A2. Liian suuri ainevahvuus,
A3. Liian pieni ainevahvuus
B1. Siirtymä jakotasossa B2. Keernan siirtymä,
B3. Paikallissiirtymä
C1. Reikä puuttuu, C2. Osa puuttuu,
C3. Virheellinen reikä tai osa, C4. Käyristymä
D1. Vajaavalu, D2. Vuotanut muotti, D3. Kylmäjuoksu,
D4. Lohkeama, D5. Hionta-, talttaus- ja leikkausviat
E1. Karhea pinta, E2. Kiinnipureutunut hiekka,
E3. Metallin tunkeuma hiekkaan, E4. Jakopintapurse,
E5. Halkeamapurse, E6. Painauma, E7. Hiekkaputoama,
E8. Hiekkahuuhtouma, eroosio, E9. Hiekkaluhistuma, kuoriutuma
F1. Rotanhäntä, F2. Pintarikko, F3. Hiekkareikä,
F4. Vaahtografiittikuoppa, F5. Paloreikä Mg-seoksilla,
F6. Kuonareikä, F7. Jakopintauurre, F8. Appelsiininkuoripinta,
F9. Elefantinnahkapinta
G1. Imupainauma, G2.Avoimu, G3. Imuontelo,
G4. Imuhuokoisuus, G5. Mikroimu
H1. Pintarakkula, H2 Keernantukirakkula, H3. Kuonarakkula,
H4 Rautahaulirakkula, H5. Hiilikuorirakkula, H6. Pienoisrakkulat,
H7. Pistorakkulat, H8. Pilkkurakkula
I1. Hiekkasulkeuma, I2. Kuonasulkeuma, I3. GLS:n kuonasulkeuma,
I4. Oksidisulkeuma, I5. Suolasulkeuma, I6. Peitostesulkeuma,
I7. Kylmähauli, I8. Muut sulkeumat
K1. Kylmäpoimu, K2. Kylmäsauma,
K3. Keernakaasusauma, K4 Hitsaumavika
L1. Imuhalkeama L2.Kuumahalkeama L3. Kylmähalkeama
L4. Lämpökäsittelyhalkeama L5. Muut halkeamat
M1. Liian suuri kovuus M2. Liian pieni kovuus M3. Reunavalko
M4. Reunaharmaa rakenne M5. Keskivalko
M6. Grafiittipallojen rikastuminen (GRP) M7. Virheellinen grafiitti (GRP)
M8. Epänormaali rakenne
N1. Pinnan hiilettyminen N2. Hiilenkato pinnasta
N3. Pinnan typettyminen (GS) N4. Hapettuminen lämpökäsittelyssä
N5. Tinahiki
O1. Riittämätön puhdistus O2. Virheellinen pintakäsittely O3. Muut viat
Jokaiseen havaittavaan valuvikaan liittyy useimmiten perussyy, joka suoranaisesti on aiheuttanut
syntyneen vian. Käytännössä kuitenkin useat eri syyt voivat aiheuttaa samoja vikoja. Kaavaukseen
liittyvien työvaiheiden aiheuttamista valuvioista suurimmat ryhmät ovat E ulospäin suuntautuvat
pintaviat, F sisäänpäin suuntautuvat pintaviat, H kaasurakkulat ja I sulkeumat.
Kaavauksesta johtuviksi vioiksi voidaan myös laskea A yleiset mittaviat, B siirtymäviat, C muotoviat sekä mm. D2. vuotanut muotti. Näiden vikojen syntyyn vaikuttavat myös virheelliset
mallivarusteet tai kaavauksen apuvälineet, inhimilliset tekijät, väärät työtavat tai huolimattomuus.
Ne voivat johtua esim. mallin rajusta irrottamista tai käytettyjen välineiden rikkoutumista kaavauksen yhteydessä tai rikkinäisten välineiden käyttämisestä sekä välineiden huonosta kunnosta.
Siirtymäviat johtuvat pääasiallisesti huolimattomasti tai väärin toteutetusta muottien lukitsemisesta. Myös kuluneet ohjaustappien reiät ja muut kaavauksen apuvälineet saattavat olla syynä. Väärät
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 38
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
seinämänpaksuudet ja virheelliset muodot johtuvat yleensä keernan siirtymisestä, sen väärästä
asetuksesta, virheellisestä keernasta, keernan puuttumisesta, jakopintasiirtymästä tai virheellisistä
mallivarusteista.
Pintaviat E & F
Kaavaukseen käytettävän hiekan laadulla on suuri vaikutus pintavikoihin. Hiekkojen ominaisuuksista mm. raekoko ja -muoto, pölypitoisuus, kosteus, epäpuhtaudet ja lämpötila vaikuttavat
hiekkojen sulloutuvuuteen ja siten esimerkiksi kaasunläpäisevyyteen. Lisäksi epäpuhtaudet ja pöly
alentavat lujuutta ja tulenkestävyyttä sekä lisäävät kaasunkehittymistä valussa.
Kuva 53.
E1: Karhea pinta E2: Kiinnipureutunut hiekka
E3: Metallin tunkeuma hiekkaan
Pintaviat E1.-E3. ovat saman vian eri asteita. Niiden syntymiseen vaikuttavat hiekan huonon laadun
ja muotin valmistusvirheiden lisäksi valussa ja peitostuksessa tapahtuneet virheet. Ne voivat johtua
esimerkiksi liian alhaisesta hiekan sintraantumislämpötilasta. Muotin valmistusvirheitä ovat mm.
riittämätön sullonta. Nämä viat eivät välttämättä johda valukappaleen hylkäämiseen, mutta nostavat puhdistusajan (ja siten myös kustannukset) jopa monikertaisiksi. Näitä vikoja voidaan torjua
peitostamalla muotti ja käyttämällä lisäaineita. Peitosteen merkitys on siinä, että se muodostaa
tulenkestävän ja hienojakoisen kerroksen sulan ja muottihiekan väliin. Tulenkestävyys estää kemialliset reaktiot ja hienojakoisuus vaikeuttaa metallin tunkeutumista hiekkarakeiden väliin.
E2. kiinnipureutunut hiekka johtuu metallin ja muottiseinämän välisestä kemiallisesta reaktiosta.
Rautaoksidilla FeO on taipumus reagoida kvartsin kanssa muodostaen fayaliittia Fe2SiO4, joka
alentaa hiekan sintraantumispistettä ja lisäksi se helpottaa metallin tunkeutumista hiekkarakeiden
väliin. Fayaliitti tunkeutuu muottihiekkaan ja aiheuttaa hiekan kiinnipureutumisen valukappaleen
pintaan.
E3. Metallin tunkeuma muottiseinämään hiekkarakeiden väliin johtuu sulan metallin metallostaattisesta paineesta. Metalli tunkeutuu muottihiekkaan, jonka hiekkarakeiden väliset raot ovat tarpeeksi
suuria, kun sulan paine ylittää sulan pintajännityksen. Tällöin hiekkaa jää mekaanisesti sulkeuksiin
metallin sisään.
Kuva 54.
E4: Jakopinta purse
E5: Halkeamapurse
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 39
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
E4. jakopintapurse syntyy kun metallia pääsee muotin osien väliin. Se ei kuitenkaan yleensä johda
valukappaleen hylkäämiseen. Jakopintapurseen syntyy voivat vaikuttaa useat eri kaavauksessa
tapahtuneet virheelliset toimintatavat, mutta se voi johtua myös normaalia korkeammasta valulämpötilasta tai sulan virheellisestä koostumuksesta.
E5. halkeamapurseeksi kutsutaan valuvikaa, joka syntyy kun metalli tunkeutuu muotinseinämään
muotin täyttymisen jälkeen muodostuneisiin halkeamiin. Halkeamat muodostuvat hiekan lämpölaajenemisen seurauksena. Ongelmaa voidaan torjua lisäaineilla. Halkeamisen todennäköisyyttä
lisää liian kovaksi sullottu muotti, sideaineen huono kuumankestävyys, hiekan suuri lämpölaajeneminen sekä liian suuri sideainepitoisuus.
Kuva 55.
E6: Paisuma
E7: Hiekkaputoama
E8: Eroosio
E6. paisuma syntyy kun muotin seinämän lujuus on riittämätön, jolloin metalli työntää muotin
seinämää ulospäin. Muotin seinämän riittämätön lujuus voi johtua esim. tuorehiekan väärästä
kosteuspitoisuudesta ja liian löysästi sullotusta muotista.
E7. hiekkaputoama syntyy kun muotin seinämästä lohkeaa pala irti. Hiekka voi irrota mm. muotin
heikosta kohdasta tai kova pintakerros voi irrota heikomman kohdan päältä.
E8. eroosio aiheuttaa rosoisen pinnan valukappaleeseen. Syynä tähän on juokseva valumetalli, joka
on irrottanut hiekkaa muotin seinämästä tai valukanavistosta. Eroosio voi johtua mm. liian löysäksi
sullotusta hiekasta, muottiseinämän alhaisesta kuumalujuudesta, liian ohuesta mallihiekkakerroksesta, huonosta peitosteesta sekä sisäänmenojen väärästä sijoittamisesta. Eroosio aiheuttaa myös
vian I1. hiekkasulkeuma ja F3. hiekkareikä.
Kuva 56.
E9: Kuoriutuma
F1: Rotanhäntä
F2: Pintarikko
E9. kuoriutuma, F1 rotanhäntä ja F2. pintarikko johtuvat kaikki samoista syistä ja ovat saman vian
eri asteita. Viat esiintyvät pääasiassa vain tuorehiekkamuoteissa valuissa valukappaleissa. Em.
vioista käytetään yleisesti nimeä kuoriutumavaluvika. Se syntyy kun sulan metallin pinta aiheuttaa
lämpösäteilyä muotin kattoon. Katon pinta kuivuu ja kosteus tiivistyy pinnan takana olevaan
kylmempää hiekkakerrokseen, josta tulee liian kostea, ja jonka seurauksena kohdan lujuus heikkenee. Kvartsin laajentuessa kuivunut pintakerros repeää irti kostuneesta kerroksesta aiheuttaen
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 40
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
pullistuman. Jos tähän syntyy repeämä, pääsee metalli tunkeutumaan siitä sisään, kts. kuvasarja
syntymekanismista.
Kuva 57.
Kuoriutumavaluvian syntymekanismi
Kaasurakkulat H & Sulkeumat I
Kaasurakkulat ja -huokoisuus eivät niinkään johdu korkeasta kaasupitoisuudesta vaan kaasujen
poistumisen estymisestä. Tietenkin suuri kaasupitoisuus on kaasurakkuloiden esiintymisriskiä
kasvattava tekijä. Huonon kaasunläpäisevyyden voi aiheuttaa mm. liian tiiviiksi sullottu muotti,
pieni keskiraekoko tai liian laaja raejakauma. Rakkulan muodostava kaasu on peräisin joko sulasta
metallista, muotin seinämästä tai keernasta. Lisäksi on muistettava, että valun alkaessa muottiontelo on täynnä kaasua (ilmaa), joka laajenee kuumuuden vaikutuksesta - ilmamäärä 15°C:ssa vaatii
nelinkertaisen tilan 1200°C:ssa. Jos tämä ilma ei pääse poistumaan, aiheuttaa se kaasuhuokoisuutta
tai -rakkuloita valukappaleeseen mm. estäessään muottionteloa täyttymästä täydellisesti sulalla
metallilla. Valussa syntyy kaasuja sideaineiden palaessa. Se kuinka paljon kaasuja kehittyy valun
aikana riippuu mm. sideaineen määrästä (Suuri sideainepitoisuus lisää kaasunmuodostusta.) ja sen
tyypistä - sideaineilla on erilainen taipumus kaasujen kehittämiseen (kts. taulukko). Kevytmetallien
valussa syntyy muottikaasuja vähemmän alhaisten lämpötilojen takia. Ne pitää kuitenkin saada
poistetuksi, koska kevytmetallien alhaisen tiheyden takia kaasut tunkeutuvat helposti sulaan metalliin. Lisäksi peitoste voi aiheuttaa kaasurakkuloita, jos peitostekerros on liian paksu tai se kehittää
kaasuja. Muotin tai keernan suuri kosteuspitoisuus saattaa olla myös syynä kaasuvikoihin.
Kuva 58.
I1: Hiekkasulkeumat
I2: Kuonasuolkeumat
I6: Peitostesulkeumat
I1. hiekkasulkeumat syntyvät kun hiekka irtoaa eroosion seurauksena muotinseinämistä tai keernasta tai sitä kulkeutuu kanavistosta muottiin. Hiekkasulkeumien syyt ovat samat kuin vioilla E7.E9. eli hiekkaa voi irrota mm. muotin heikosta kohdasta, kova pintakerros voi irrota heikomman
kohdan päältä tai juokseva valumetalli on irrottanut hiekkaa muotin seinämästä. Nämä voivat
johtua mm. liian löysäksi sullotusta hiekasta, muottiseinämän alhaisesta kuumalujuudesta, liian
ohuesta mallihiekkakerroksesta, huonosta peitosteesta sekä sisäänmenojen väärästä sijoittamisesta.
I2. kuonasulkeumat syntyvät joko siten, että kuona on päässyt muottiin tai sitä muodostuu valun
aikana. Metallin mukana seurannut kuona voi johtua mm. riittämättömästä senkan kuonauksesta
sekä liian hitaasta valusta. Jotta kaadon yhteydessä kuonaa ei pääsisi muottiin, käytetään kuonan-
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 41
http://www.valuatlas.fi - ValuAtlas – Valimotekniikan perusteet – Seija Meskanen, Tuula Höök
erottimia ja suodattimia. Valun yhteydessä voi muodostua kuonaa, jos mangaani, rauta tai pii
hapettuu.
I6. peitostesulkeuman aiheuttaa peitosteen lohkeaminen. Syitä tähän ovat mm. joko liian suuri tai
pieni peitostemäärä tai huono levitys, peitosteen huono sekoitus tai sen laskeutuminen, peitosteen
puutteellinen kiinnittyminen muotin tai keernan pintaan.
Lähteet:
Adams Kyle, Williams Erin J., Kannan Sudesh - "Filtering basics: who, what, where, why & how"
Autere E., Ingman Y. ja Tennilä P. - "Valimotekniikka II"
Suomen Metalliteollisuuden Keskusliiton tekninen tiedotus 3/85 "Valuvirhekäsikirja syyanalyysein"
Tiainen Tuomo - "Valimotekniikan perusteet"
Valaminen valmistusmenetelmänä", TKK-VAL 1/2000
Tarkistettu ja täydennetty 7.10.2015 (Tuula Höök) - Kertamuottimenetelmät - 42