HŐKEZELÉSI TECHNOLÓGIÁK SZÁMÍTÓGÉPES TERVEZÉSE

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

1

HŐKEZELÉSI TECHNOLÓGIÁK SZÁMÍTÓGÉPES TERVEZÉSE

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Dr. Frigyik Gábor

egyetemi docens

Miskolci Egyetem

Mechanikai Technológiai Tanszék

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


2

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

Acélok felhasználói tulajdonsága függ: - kémiai összetételtől - maradó fesz nagyságától és elosztásától

De ezek is kölcsönhatásban vannakPl: - szövetszerkezet változás - fajtérfogatváltozás -Feszültség - húzó fesz. segíti az ausztenit bomlását - nyomó fesz. nehezíti az ausztenit bomlásátEzek a tényezők legegyszerűbben „Hőkezeléssel” változtathatók

Hőkezelés csoportosítása: (milyen térfogatra terjed ki a tulajdonság változtatás) - térfogati (cél) - felületi hőkezelések

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


3


Sok esetben az igénybevétel olyan, hogy

- a felület kopásnak

- a mag dinamikus igénybevételnek van kitéve

Megoldás: keresztmetszetben heterogén szerkezet kell

Lehetőségek

- felületi réteg fémtani állapotának változtatása

( pl.: görgőzés, sörétezés, edzés)

- felületi rétegben megváltoztatjuk a

kémiai összetételt és

fémtani állapotot

( Ez a felületötvöző vagy termokémiai kezelés)

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


4


Csoportosítás: az ötvöző elemet leadó hézag halmazállapota szerint- szilárd- folyékony- gázközegű

Ezek különböznek a: - költségek - réteg szerkezete - réteg tulajdonsága - környezet károsítása tekintetében

A szilárd (por) közeg → korszerűtlennek tűnik,de kis üzemben előnyös (egyszerű, olcsó)

Sófürdő → szabályozási nehézségek, környezetszennyező nem perspektívikusak

Gázközeg → jól szabályozható, könnyű automatizálhatóság környezetvédelmi szempont szerint kedvező (jelen és a jövő!)

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


5


Fizikai kémiai folyamatok:

Technológiától függetlenül az ötvöző elemet az acél gázfázisból veszi fel.

A felületötvözés részfolyamatai:

- kialakul egy gáz-fém határréteg

- határréteg disszociál → aktív ötvöző keletkezik

- ötvöző elem adszorbeálódik → kialakul ötvözőben gazdag fázik

- megindul a diffúzió a mag irányába

Diffúzió a ferritben vagy az ausztenitben valósul meg

Megfontolandó:

- a feltételek javulnak a T növelésével, de

- a környezetben oxidálódik a felület,

- romlik a korábbi hőkezeléssel elért tulajdonság,

- ugyanakkor a Diffúziós tényező a ferritben nagyobb

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


6


Kialakuló kéreg vastagsága:

ahol: - x, mm - k, konstans mm/óra, ez függ a db minősségétől és T-től - t, idő, óra

T és t együttes hatása látható

T növelése kedvezőbb a kéregvastagság növeléseszempontjából.

Ipari gyakorlatban a „ nem fémekkel” való ötvözésé a vezető szerep. Ezek közül is a C, N, esetleg B

tkx

t [h]

x [mm]T3

T2

T1

T1 T2 T3

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


7


CEMENTÁLÁS, BETÉTEDZÉS

Cementálás – kéreg C-ban való dúsítása → HV

Cem + edzés = betétedzés

Alkalmazás: ha C< 0,2% (betétben edzhető acélok)

0,75 < C < 1,2% (MSZ 31 szerint)

0,1 < X < 3,0 mm

Előfordul nagyobb C% - ú, ötvözött acélok cementálása

Pl.: golyóscsapágy acélok,

Cr ötvözésű szerszámacél

Itt a cél a kopásállóság javítása

Me3C, Me7C3, Me23C6 karbidokkal

illetve: kedvező R maradó kialakítása

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


8


Cementálás szilárd közegben

Cementálószer: BaCO3 + Na2CO3 + faszén + kokszpor

Ezt és a db-kat dobozba rakják és légmentesen lezárják.

T= 850 - 900°C lejátszódó reakciók:

BaCO3 → BaO + CO2

CO2 + Cfaszén → 2 CO

2 CO → CO2 + Caktív

Caktív + Fe → Fe (c)

Paraméterek: Megfontolandó:

T = 900°C - Tmin → ahol elbomlik a BaCO3

t = 10 – 20 óra - Tmax, akkor diff. seb. , de

x = 0,1 – 0,15 mm/óra - szemcsedurvulás lesz

t [h]

T [°C]900 °C10-20 h

400 °C1 h

levegő

levegő

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


9


Cementálás folyékony közegben:

Hagyományos sófürdő + C leadó adalék (NaCN, KCN)

Vegyi reakciók:

2NaCN + O2 = 2NaCNO

2NaCNO + O2 = Na2CO3 + CO + 2N

2CO → CO2 + Caktív

Caktív + Fe → Fe (c)

Paraméterek: Tcem = 830 - 860°C

tX=1,5mm = 5 – 10 óra

Az adalék tiltott! (Egészség és környezetkárosító)→ Előnyösebb a gázcementálás

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


10


Gázközegű cementálás

Közeg: legalább 90% metán tartalmú földgáz

Ez disszociál:

CH4 → 2 H2 + Caktív

A keletkező Caktív megkötödik a felületen

Paraméterek:

Tcem = 930 - 950°C

Tx= 1,5mm = 6 -12 óra

Fémtani problémák

- Ha C> 0,8% → karbid háló

- Tcem nő → szemcsedurvulás

- x → kopás, teherviselés

t [h]

T [°C]

levegő

950 °C6-12 h

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


11


Cementálást követő hőkezelések

- Keménység és kopásállóság növeléséhez → edzés- Cél: a mag és kéreg megfelelő tulajdonságainak biztosítása Közvetlen edzés

- megengedett az eldurvult szemcseszerkezet,- a szerényebb mechanikai tulajdonságok

Szövetszerkezet:- mag: durvaszemcsés F + (P)- kéreg: durva M tűs

Megeresztéskor a M stabilabbá változikt [h]

T [°C]Tcementálás

olaj

160-180 °C2-3 h levegő

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


12


Egyszeri edzés

Cementálás után hevítés a kéreg C%-nak megfelelő T-re és innen olajban hűtés

- Technológiai adatok számitása hasonló az

edzésnél megismertekhez.

- Hevítés szabályozott atmoszférában végzik

( dekarbanizáció!)

Szövetszerkezet:

- mag: durva szemcsés F + (P)

(Csak örökletes finomszemcsés acéloknál

megfelelő a mech. tulajd.)

- kéreg: finom tűs M

t [h]

T [°C]Tkéreg edz.

olaj

160-180 °C2-3 h levegő

Ac10,5 h

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


13


Kettős edzés

Akkor alkalmazzák, ha szükség van a kéreg és a mag szerkezetének megváltoztatására

Első edzés T = Tmag (normalizálás)

- finomodik a mag,

- kéregben a karbidható feloldodik

Második edzés

- a kéreg C%-nak megfelelő

Megeresztés: kéreg tulajdonságainak beállitása

t [h]

T [°C] Ac3 mag

Ac1

víz olaj

0,5-1 h

0,5 h

Tkéreg edz.

levegő160-180 °C2-3 h

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


14


NITRIDÁLÁSNitridált kéreg szerkezete

Megértéséhez szükséges ismerni aFe – N metastabil rendszerű állapotábrát.

Különböző fázisok jellegzetességei:

α - TKK, nitroferrit - N az oktaéderes pozíciókban - N max old. 590°C-on 0,115%

20°C –on 0,004% - ferromágneses

2.8

800

0

Hőm

érsé

klet

, o C

4 8 12Nitrogén, tömeg %

400

500

600

700

300

900

650o

4.55

590o

2.350.1

Mágneses átalakulás~490o

8.25

680±5o

5.6

'

11.0

11.35

Fe4N

Fe2N

910o

5.7 6.1

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


15


γ - nitroausztenit FKK- N az oktaéderes rácshézagban- Max N oldása = 2,8% T= 650°C –on- Lassú hűtéskor eutektoidosan braunitra bomlik

- Gyors hűtéskor → nitromartenzit keletkezik- Ez a α’- N – ben túltelitett szilárd oldat → tetragonális- Ez megeresztésállóbb mint a M(C)

- Megeresztéskor Fe16N2 (α” fázis) majd

Fe4N (γ’ fázis) válik ki

γ’ (Fe4N) - rendezett rácsú szilárdoldat- összetételekben 590°C-on a N= 5,3 – 5,75%- FKK rácsú- N az oktaéder rácshézagban- Ferromágneses- T < 670°C alatt stabil. E felett ε- ná alakul

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


16


ε – Fe2-3N rendezett rácsú szilárdoldat

- N = 4,55 – 11% között változik

- Hexagonális

- N az oktaéderes rácshézagban

- T = 650°C – eutektoidos bomlás:

- Ferromágneses

ξ - rombos kristályszerkezetű

- N = 11,07 – 11,18%

- T < 500°C – on stabil

- Több C-t tud oldani, mint az ε- Összetétele:

Fe8C3N és Fe2N között változik

- Nitridálás szempontjából nem lényeges fázis

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


17


- γ’, ε , és ξ fázisokat nitridnek nevezik

- γ’ – C oldása elhanyagolható

- Az α karbonja csökkenti az N oldhatóságot - ötvözők:

- megváltoztatják az α, γ’ és ε N oldódását

- W, Mo, Cr, Ti, V növelik az α -ban a N oldódását

- ötvözött acélban γ’ és ε fázisok komplex nitrid és karbonitrid

(Pl.: Fe, Me4N; FeMe3NC stb.)

- γ’ -ben az Al és Si nagy mennyiségben oldódhat

- szélesítik a γ’ homogén területét!

- ε -ban oldódók növelik a keménységét! - Ötvöző nitridek is keletkeznek

- Ezek nagy N tartalmúak

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


18


Nitridált kéreg kialakulása:Nitridálás előtti állapot: - lágyított, normalizált állapot

szövetszerkezet: F + P - nemesített: szferoiditKiinduló állapot: Fe alapú szilárd oldat + karbidNitridálás hőmérséklete: - minél magasabb legyen (diffúzió miatt) - ugyanakkor ne rontsuk el a korábban kialakított tulajdonságot - kéregben ne legyen fázisátalakulás (strukturális feszültségek)

Ezek figyelembevételével:

Tnitridálás = 520 - 580°C

2.8

800

0

Hőm

érsé

klet

, o C

4 8 12Nitrogén, tömeg %

400

500

600

700

300

900

650o

4.55

590o

2.350.1

Mágneses átalakulás~490o

8.25

680±5o

5.6

'

11.0

11.35

Fe4N

Fe2N

910o

5.7 6.1

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


19


Kéreg kialakulásának mechanizmusa: - adszorbeállódott N-t oldja az α szilárdoldat

- felületen kialakul egy telítetlen α - megindul a N diffúziója a mag irányába

- adszorpció gyorsabb, mint a diffúzió

- t1 időpontban a α telítetté válik

- csíraképződéssel megjelenik a γ’ (szemcse-, mozaikblokkhatáron, diszlokációhoz) - első csírák a felületig kiérő α határa - γ’ csak a túltelített α -ban növekedhet → a felületen összefüggő γ’ kéreg - a kéregvastagság nő - γ’ kialakulása → ugrásszerű N%

- Felületen telítődik γ’-ben a N → megjelenik az ε. ε N tartalma széles határokon belül változik. - γ’ és ε határon ugrásszerű N% változás

Nit

rogé

n ko

ncen

trác

ió, t

ömeg

%

Távolság a felülettől

A nitrogén oldékonyságihatára az '-nitridben

A nitrogén oldékonyságihatára az -vasban

Az alapanyagnitrogéntartalma

t1

t2

t3

t1 t2 t3< <

6.1 tömeg %

0.115 tömeg %

' '

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


20


Kialakult kéreg: T < Ac1,

Ha ezt lehűtjük szobahőmérsékletre: fázisokból fog állni

Ötvözött acélokban az ε két fázisból áll.

felül: (FeMe)2CN és majd kialakul az

(FeMe)3CNKülönbség: 2%N

A nagy N%-u ε -ban a N atom „ kiül” a rácshibákra→ atomok molekulává rekombinálódnak→ nő a nyomás → mikrorepedés → oxidáció

→ Fe2O3 → pórusképződés→ csökkenti a HV-t, kopásállóságot

- ε porozitása függ a % -től - c% csökkenti a N diffúzióját → növeli pórusképződést → csökkenti HV-t

CN

N

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


21


- ε alatt helyezkedik el a belső nitridálódási zóna

- Ez vas-nitridből és ötvöző nitridből áll

- Nitridképződés térfogatnövekedéssel jár

- torzul az α- rácstorzulás és a nitridek gátolják a diszlokációkat(Cr, Mo)

→ csökken az A5 és nő az Rm és ReH, HV

A hatás akkor jelentős, ha a nitridek koherensek.

Ha nagyobb méretű nitridek keletkeznek → nem a rács torzulás hanem ezek távolsága

a meghatározó → Kisebb lesz a HV

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


22


A kéreg jellemző tulajdonságaiKéreg:

1. vegyületi zóna2.diffúziós zóna

Vegyületi zóna: (telitőközegtől függően)- ε - nitrid- ε karbonitrid- ε oxinitrid- ε oxi-karbonitrid

ε Fázis alatt van az ε + γ’ zóna. γ’ mennyisége függ a hűtés sebességétől Vegyületi zónára jellemző: - HV és kopásállóság

- igen

vékony 0,01 – 0,025 mm HV ε porózus karbonitrid = 200 – 300 MHV HV ε tömör karbonitrid = 900 – 1600 MHV

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


23


Diffúziós zóna: α + nitridekTulajdonsága függ: - a nitrid minőségétől - mennyiségétől - eloszlásától - méretétől - alakjától befolyásolható: - hőmérséklettel - időveltulajdonsága függ az ötvözöktől és N%-tól

Al és Si a γ’ -ben összpontosul

Cr, Mo, Ti, V α -ban oldódikHV= f(techn. paraméter, ötvöző %) = 500 – 1000 HV10Alacsonyabb hőmérsékleten nagyobb keménységű diffúziós zóna állítható elő.

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


24


Szerkezeti acélok nitridálásaHatás: - kopásállóság javul

– kifáradási határ nő

Mag tulajdonságát korábban alakitják ki (normalizálás, nemesítés).Kéreg vastagsága és szerkezete függ a nitridálás előtti fémtani állapottól (szövetsz.)

Diffúziós egyenletből következik: - N behatolási mélysége– x= f (T) exponiciális, míg az időtől– másodfokú parabola szerint változik– Nitridálás közben az anyag megeresztődik– Csökken a kifáradási határ, mivel: - csökken a magszilárdság

- Kisebb lesz a kéregben a nyomófeszültség• →Korábbi megeresztés T > Tnitridálás + 50°C legyen

RT

Q

eDx

0

tkx

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


25


- Vegyületi zóna tulajdonsága függ az ε N%-tól

- Kedvezőbb a kis N% az ε - ban

- Ha Tnitrid növeljük → nő a N diffúziója → csökken az ε N tartalma és csökken a HV eloszlás meredeksége.

- Az ε vastagsága a megengedhető kopás mértékétől függ. (Felesleges növelni)

- De a Rmaradó = f (x, ε, és a szerkezettől)

optimális, ha : ε = 15 – 20 µm

ha ε > 20µm → csökken a kifáradási határ

Méretváltozás! Mivel – nitridképződés → fajtérfogatváltozás

→ megeresztődés

- Db. duzzadni fog → nomogrammok → tervezhető a méretnövekedés

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


26


Szerszámacélok nitridálása - Igénybevételek:

- koptató- felületi, ill. élnyomás → ciklikus → fáradás- sokszor ütésszerű

→ Kemény kéreg és nívós kéreg alatti rész kell! - Forgácsoló és alakító szerszámoknál előnyös a nitridált kéreg. - Gyorsacélnál: felületen csak diffúziós zóna keletkezzen.

- vágóélen kisebb a súrlódási erő → kisebb az él T-e- kisebb a diffúziós kopás- csökken a forgács szerszámra tapadása- lényeges a maradó feszültség eloszlása

- Kéregben jelentős nyomófeszültség (kedvezö)- Átmenet 0,05 – 01 mm-nél- Felületen a keménység: 1100 – 1400MHV - Ez növelhető az α ötvözésévelKedvező a hőállósága: 700°C-on a HV = 700 MHV pl.: K13, K14, R3

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


27


Nitridálás technológiája:

- Legrégebbi felületötvözés (Damaszkuszi kard)

Nitridálás sófürdőben:

- Sók termikus bomlásakor keletkező N-t használják

- Káros egészségre, környezetre (KCN, NaCN)

2KCN + O2 → 2KCNO

2KCNO + O2 → K2CO3+CO + 2Naktív

Gyakorlati megoldás

Nem használják!

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


28


Gáznitridálás:

- T = 500 - 600°C kell az Naktív → N leadó közeg az NH3

- T = 400°C-on 2NH3 → 3H2 + 2 Naktív

- Gázt áramoltatni kell, mert N + N = N2 gáztér aktívitása függ a disszociáció fokától

Ez pedig: T, p, v felület min-től

- nitridálás gyenge túlnyomással (p = 500 Pa)

Paraméterek:

- T = f(s, felületi HV) - vékony, nagy HV réteg kis T-en

- vastagabb de kisebb HV réteg magasabb T-en

- Általában aknás retortás kemencében végzik

- Ha kemény, kopásálló kérget akarunk → NH3 + C tart. Keverék

- Ha a vegyületi zónát akarjuk változtatni → az NH3 -at hígítani kell N2, H2, Ar

H2 – vékonyabb zónát eredményez

N2 – vastagabb zónát eredményez

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


29


Ionnitridálás:

- Legkorszerűbb, gyártósorba is beépíthető

-Technológia

- Db.-ot tartályba helyezzük, villamosan elszigetelve katódként kapcsoljuk

- Levegőt kiszívják, majd feltöltik N2, N2+H2-vel

- Katódporlasztással tisztitjuk, aktiváljuk a felületet

p=0,1 - 0,2 kPa, U=1000V

- Nitridálás : p=0,2 -2 kPa, U=400 – 1000V

- Folyamatok: - N+++ → a felületre csapódnak → T= 400 - 580°C

- Fe++ távolit el

- A plazmában nitrideket alkotnak és ezek a felületre egyenletesen lerakódnak

- Diffúzióval megindul a kéreg képződése

- nitridálási idő: 15 – 30 perc

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


30


Nitridálás számitógépes tervezésének alapadatai

Kívánalom:

Kéreg – vastagsága

- keménysége

- szerkezete

- maradó feszültség

Paraméterek

T, t, p, gázösszetétel, sebesség

felületminőség, U

Irodalomban kevés konkrét adat van. A számitógépes tervezés lehetőségével a VEM

alkalmazás feltételeivel a későbbiekben találkozhatunk.

t [h]

T [°C]

levegő

950 °C6-12 h

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012Miskolc, 2006


31

KÖSZÖNÖM A

FIGYELMET!

Documents

HŐKEZELÉSI TECHNOLÓGIÁK SZÁMÍTÓGÉPES TERVEZÉSE