Upload
doankiet
View
215
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Luento 6
2
Esitiedot
Miten terästen karkenevuutta voidaan parantaa?
Miten päästölämpötila ja aika vaikuttavat karkaistun rakenteen mekaanisiin ominaisuuksiin?
Mitä tarkoittaa päästöhauraus?
3
Esitiedot
Epäselviä termejä• Sorbite on vanhentunut termi ’rakeiselle’ päästömartensiitille• Troostite on vanhentunut termi ’kerrosmaiselle’
päästömartensiitille• Stress on jännitys, ei paine• Reversibele = palautuva, palautettavissa oleva• Irreversiibeli = peruuttamaton, pysyvä
Muista henkilötietosi. Yksi tunnistamaton vastaus• Seostamalla eri aineilla...• Karkaistuilla teräksillä lujuusarvot...• Päästöhauraalla taräksellä ...
Niukkaseosteiset teräkset
2
5
Niukkaseosteiset teräkset
Jaottelu•Automaattiteräkset•Nuorrutusteräkset•Hiiletysteräkset• Induktiokarkaistavat teräkset•Niukkaseosteiset kuumalujat teräkset
Seostettuja teräksiä käytetään pääasiassa lämpökäsiteltyinä (toisin kuin hiiliteräksiä)
•Tyypillinen hiilipitoisuus 0,25-0,55%•Muut tyypilliset seosaineet: Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, B
6
Niukkaseosteiset teräkset
Tyypillinen mikrorakenne onpäästömartensiittinen tai bainiittinen, jotka ovat ominaisuuksiltaan sitkeitä
•Vastaava mikrorakenne syntyy hiiliteräkseen kun sen ainepaksuus on pieni (karkenevuus taipumus on pieni)
• Seostaminen kasvattaa karkenemista, mikä puolestaan kuvaa teräksen kykyä muuttua martensiittiseksi (taibainiittiseksi)
• Seostaminen ei nosta merkittävästi martensiitin kovuutta ja lujuutta, vaan siihen vaikuttaa oleellisesti hiilipitoisuus
7
Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti
Austeniitin hajaantumisen tapahtuessa niin nopeasti ettei tasapainorakennetta (ferriitti,perliitti tai näiden seos) ehdi muodostua, tulee rakenteeksi joko
•Bainiittia, joka syntyy matalan lämpötilan eutektoidisenreaktion tuloksena tai
•Martensiittia, joka muodostuu ilman diffuusiotamartensiittimekanismilla
8
Bainiitti
Bainiitti on ferriitin ja sementiitin ei-lamellaarinen seos.
Korkeissa hajaantumislämpö-tiloissa muodostuuyläbainiittia, alhaisemmissaalapainiittia
3
9
Martensiitti
Martensiitti on tetragonaalisesti vääristynyttä hiiliylikyllästeistä ferriittiä eli uusi ferriittiin pohjautuva rakenne, johon hiili on jäänyt pakkotilaan. Martensiitti muodostuuausteniitista alle 220°C lämpötiloissa. Suurilla jäähtymisnopeuksilla eli matalissa austeniitinhajaantumislämpötiloissa ei diffuusio tapahdu riittävän nopeasti, vaan austeniitti hajaantuu leikkautumismekanismilla.
10
Ylä- ja alabainiitti
Yläbainiitti• Sementiittierkaumat ovat
ferriitti-liuskojen rajoilla. • Kovaa, korkeanlujuuksista
ja haurasta.
Alabainiitti• Runsas dislokaatioisia
ferriittiliuskoja, joiden sisällä onsementiittierkaumia.
• Kohtalainen kovuus sekä erinomaiset lujuus- ja sitkeysarvot.
• Tärkeä rakenne erikoislujissa nuorrutetuissa rakenneteräksissä.
11
Leikkautuminen
Leikkautumismekanismi on hyvin nopea jamartensiittia muodostuu erittäin suurillakin jäähtymisnopeuksilla.
•Martensiitin ja austeniitin yksikkökopeilla on selvä yhteys•Martensiitin tetragonaalisuus riippuu hiilipitoisuudesta •Muodostuneen martensiitin kovuus riippuu myös
hiilipitoisuudesta •Muodostuva martensiitti on usein niin haurasta, että sitä
pitää sitkistää päästön avulla (lähes aina).
12
Austeniitista martensiitiksi
4
13 14
15
Levy ja sälemartensiitit
Kun hiilipitoisuus on korkeampi ja/tai jäähtymisnopeus hitaampi on tuloksenalevymartensiittia.
• Kovaa ja haurasta• Taipumus
lohkomurtumiseen
Matalammalla hiilipitoisuudella ja/tai nopeammalla jäähtymisnopeudella syntyy sälemartensiittia
• Kovaa, lujaa ja kohtuullisen sitkeää
16
5
17
Hiilipitoisuuden vaikutus
18Hiilipitoisuuden vaikutus teräksen kovuuteen ennen päästöä eri martensiittipitoisuuksilla
19
Karkaisun vaiheet
Austenointi•Jos lämmitys tehdään liian nopeasti, ei austeniitin
hiilipitoisuuden ehdi nousta riittävän korkealle. Seurauksena on pienempi kovuus
•Sen vuoksi nuorrutukseen käytetään yleensä normalisoitua terästä, jolla on tasalaatuinen mikrorakenne ja austenointi onnistuu helpommin
Austenointi lämpötila•Alieutektoidisilla teräksillä 20-30°C A3 -rajan yläpuolella•Ylieutektoidisilla 30-40°C A1 -rajan yläpuolella
20
6
21
Karkaisun vaiheet
Sammutuksen tarkoituksena on estääausteniitin tasapainon mukainen hajaantuminen ferriitiksi ja perliitiksi taibainiitiksi.
•Kun lämpötila alittaa tietyn kriittisen arvon (Mslämpötila), austeniitti ei hajaannu, vaan muuttuumartensiitiksi
• Sitä lämpötilaa, jossa kaikki austeniitti on muuttunutmartensiitiksi kutsutaan Mf -lämpötilaksi
•Mf lämpötila voi olla huoneen lämpötilan alapuolella, jolloin kaikki austeniitti ei hajaannu, vaan rakenteeseen jää jäännösausteniittia
22
Karkaisun vaiheet
Jäännösausteniitti vähentää kovuutta, voi aiheuttaa myöhempiä mittamuutoksia
•Sammutuksen jälkeen kappale jäähdytetään välittömästi –70oC tai –200oC
•Soveltuu esim. kovuutta ja mittapitävyyttä vaativille mittavälineille
Muut karkaisut•Etappikarkaisu. Lämpötilaa tasataan sulasulassa 200-
400oC ennen jäähdytystä Ms lämpötilan alapuolelle•Bainiittikarkaisu. Sammutus austenointilämpötilasta
bainitointikylpyyn (200-400oC). Pidetään kylvyssäkunnesa austeniitti on hajaantunut
23
Karkenevuus
Karkenevuus kuvaa teräkseen karkaisussa syntyvän kovuuden syvyysjakaumaa
•Jos kovuus kappaleen sisällä on lähes sama kuin pinnalla, on teräs syvään karkeneva
•Jos kovuus kappaleen sisällä on matala pintaan nähden on teräs huonosti karkeneva
Karkenevuus ei ota kantaa karkaisussa syntyvän martensiitin kovuuteen
•Siihen siis vaikutti hiilipitoisuus•Tosin jos martensiittia on paljon on kovuus suurempi,
mutta pienellä hiilipitoisuudella martensiitinmaksimikovuus on matala
24
Karkenevuus
Karkevuuden mittayksikkönä on perustuu jäähtymisnopeuteen (°C/s)
•Jäähtymisnopeus voidaan puolestaan muuttaa etäisyydeksi kappaleen pinnasta, kun lämmön poistumisnopeus pinnasta ja teräksen lämmönjohtavuus on tiedossa
•Jominy etäisyys ja ideaalinen kriittinen läpimitta
Tärkeimmät karkenevuuteen vaikuttavat tekijät ovat•Koostumus•Austenointi lämpötila•Austeniitin suuri raekoko kasvattaa karkenevuutta
(mutta heikentää iskusitkeyttä)
7
25
Karkenevuus
Karkenevuutta voi heikentää•Austenoinnin aikana liukenematta jääneet karbidit, sillä
ne laskevat austeniitin hiilipitoisuutta ja toimivat muiden kuin martensiitin ydintymiskohtina
Suuri karkenevuus ei ole kaikissa tapauksissa ole hyödyllistä
•Jos ainoastaan pinnan pitää olla kova, voi liian syvä karkeneminen aiheuttaa jäännösjännityksiä ja säröjen syntymistä
•Seostetut teräksen ovat kalliimpi
26
Karkenuustestit
Läpikarkenevuus•Tarkastelun kohteena olevalle tangolle (koostumus ja
halkaisija) tehdään karkaisukoe halutuilla parametreillä•Tangosta valmistetaan poikkileikkaushie•Kiillotettu pinta syövytetään, jolloin 50%
martensiittipitoisuus näkyy vaaleana alueena (etsi kuva)•Tangon katsotaan läpikarenneen jos keskiosan
martensiittipitoisuus on vähintään 50%
27
Karkenuustestit
Jominykoe•Normalisoitu tanko austenoidaan ja jäähdytetään
vesisuihkulla toiselta otsapinnalta. Tankon pinta hiotaan kovuusprofiilin mittausta varten
•Tarkemmat tiedot standardista ASTM A 255
Muita testejä•Hiilletyskarkaisulle•Työkaluteräksille (ilmaan karkeneville)•Huonosti karkenevat teräkset (Hot-brine test) ja
(Surface-area-center, SAC)
28
8
29 30
Karkenevuus
Koostumuksen vaikutus karkenevuuteen voidaan selvittää laskennallisesti
•Grossmann (1942) selvitti useiden karkaisukokeiden avulla teräksen pääasiallisten seosaineiden vaikutuksen karkenevuuteen
•Kokeiden perusteella voidaan laskea sen tangon paksuus joka muuttuu täysin martensiitiksi
Nykyisin käytettävissä useita simulaatio-ohjelmia
•Predic & Tech, AC3, Cetim-Siclop, SteCal, Prevert, Chat,Minitech, Predcarb, Simulan
31
Seostaminen
Seosaineiden tarkoitus on mahdollistaan karkeneminen pienemmillä jäähtymisnopeuksilla
•Suuremmat kappaleet saadaan karkenemaan•Sammutusväliaineena voidaan käyttää öljyä veden
sijasta, jolloin vältytään nopean jäähtymisen aiheuttamista vetelyistä ja halkeilusta
32
Seostaminen
Seostamisella on myös muita vaikutuksia•Vetokokeessa mitattu poikkipinta-alan pieneneminen on
pienempi hiiliteräksestä syntyneelle martensiitille kuin seosteräksessä syntyneelle martensiitille
•Seostetut teräksen päästetään tyypillisesti korkeammassa lämpötilassa, jolloin jäännösjännitysten laskevat enemmän
•Seosteräkseen päästössä syntyy tyypillisesti kovempi karbideja kuin hiiliteräksen päästössä
•Saman kovuuksisen seosteräksen sitkeys on parempi kuin hiiliteräksen
9
33
Joitain seosaineita
Mangaani•Usein käytetty ja halpa
seosaine
Kromi
Molybdeeni
Nikkeli•Kallis, mutta erittäin
hyödyllinen sitkistävän vaikutuksen vuoksi
Boori•Erittäin pieni pitoisuus
(0,001%) edistää karkenevuutta tehokkaasti tiivistetyissä niukkahiilisissä teräksissä
•Vaikutusta heikentää happi, typpi,
34
35
Mangaani ja hiilipitoisuuden vaikutus kuumavalssatun teräksen murtolujuuteen 36
Standardin mukaisen koostumusvaihtelun vaikutus Jominykokeen kovuuskäyrään
1541HC 0,35-0,45Mn 1,25-1,75Si 0,15-0,35
1340HC 0,37-0,44Mn 1,45-2,05Si 0,15-0,35
10
37
Hiili- ja mangaanipitoisuuden vaihtelun vaikutus teräksen 1050 Jominykokeen kovuuskäyrään (Crpitoisuudet 0,06%, 0,06%, 0,06%, 0,08%) 38
Sammutusväliaineet
Sammutusväliaineet sammutus tehon mukaan•Suolaliuos, natriumhydroksidi liuos•Vesi•Polymeeriliuokset•Öljy• Ilma
Väliaineen sammutustehoa voidaan kasvattaa sekoituksella
39 40
Koon vaikutus karkenevuuteen
Kun karkenevuus testi(e)n tuloksia sovelletaan käytäntöön huomataan
•Suureten kappaleiden karkenevan vähemmän vaikka jäähtymisnopeus olisikin sama kuin pienellä kappaleella
•Syynä voi olla suuren kappaleen jäähtymisen synnyttämät jännitykset jotka vaikuttavat austeniitinhajaantumista tai sammutustehon heikkeneminen koon kasvaessa
Tämä huomioidaan seuraavan kalvon kaltaisilla piirroksilla
•Jominy equivalent hardness (Jeh)
11
41 43
Myöstö ja päästö
Molemmat ovat lämpökäsittelyjä joissa terästä pidetään korotetussa lämpötilassa jonkin aikaa. Tällöin
•Jäännösjännitykset laukeavat (myöstö)•Mikrorakenne muuttuu (päästö)•Englannin kielessä myöstöstä käytetään joskus (usein)
nimitystä tempering vaikka selvyyden vuoksi pitäisi käyttää termiä stress relieving
44
Päästö
Rakenne tasolla voidaan havaita seuraavat vaiheet
•Vaihe I: ε karbidien muodostuminen ja martensiitinhiilipitoisuuden laskeminen (auto tempering, quench tempering)
•Vaihe II: Jäännösausteniitin hajaantuminen ferriitiksi jasementiitiksi
•Vaihe III: ε karbidien ja matala hiilisen martensiitinmuuttuminen ferriitiksi ja austeniitiksi
• (Vaihe IV: Seostuissa teräksissä syntyy seosaineiden karbideja)
45
Päästö
Lämpötila vaikuttaa vaiheiden esiintymiseen•Vaihe I: 100-250 °C•Vaihe II: 200-300 °C•Vaihe III: 250-350 °C
Mittamuutokset•Martensiittin muuttuminen ferriitiksi ja sementiitiksi
pienentää tilavuutta•Jäännösausteniitin muuttuminen ferriitiksi ja
sementiitiksi kasvattaa tilavuutta
12
46
Mittamuutokset
47
Päästö
Lujuus ja kovuus laskevat päästön aikana sitä enemmän mitä
•Korkeampi lämpötila– Kovuus laskee tasaisesti lämpötilan noustessa
•Pidempi aika– Järkevillä lämpökäsittely ajoilla (>10 min) kovuus alenee
tasaisesti ajan logaritmiin nähden
• (Seosteräksillä kovuus voi nousta seoskarbidien muodostuessa)
Murtovenymä ja muut sitkeysarvot paranevat•Tiedot löytyvät päästökäyrästä (nuorrutuspiirroksesta)
48 49
13
50
Päästö
Karbideja muodostavat seosaineet (Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Ti) nostavat kovuutta päästön aikana. Muut seosaineet (Ni, Si, Al, Mn) voivat nostaa kovuutta liuoslujittamalla ferriittiä ja pienentämällä raekokoa
•Seosaine karbidejen vaikutus näkyy parhaiten korkeassa lämpötilassa tehtävässä päästössä
Yhdistämällä eri lämpötiloissakarbidemuodostavia seosaineita saadaan kovuus pysymään lähes samana kaikissa päästölämpötiloissa
51
52 53
C 0,35%
Cr 5%
Mo 1.5%
V 0.4%
14
54
Päästöhauraus
Päästölämpötilan nostaminen kasvattaamurtovenymää lineaarisesti kun taas iskusitkeys voi laskea
• Iskusitkeyden alenemisesta käytetään nimitystä (alempi)päästöhauraus (tempered martensite embrittlement, TME)
• Ilmiö tapahtuu tyypillisesti lähellä 300 °C•Syynä voi olla austeniitin raerajoille kertyneiden
epäpuhtauksien aiheuttama sementiitin muodostus ja/taisementiitin muodostuminen martensiittin raerajoille
55
Alempi päästöhauraus
56
Päästöhauraus
Teräksen transiitiolämpötila nousee jos sitä pidetään pitkään lämpötila-alueella 375-575°C.
• Ilmiöstä käytetään nimitystä ylempi päästöhauraus (temper embrittlement)
•Pienet pitoisuudet tinaa, antimonia, fosforia yhdessä seosaineiden (kromi ja/tai mangaani) altistavat ylemmälle päästöhauraudelle
•Syynä ajatellaan olevan edellämainittujen aineiden kertyminen austeniitin raerajoille
57
Ylempi päästöhauraus
15
58
Ylempi päästöhauraus
Transiitiolämpötilan muuttuuminen teräkselle 3140 59
NuorrutusteräksetYleisominaisuutena nuorrutusteräksillä on hyvät lujuus- ja sitkeysominaisuudet yhtyneenä samaan materiaaliin. Erityispiirteenä on hyvä väsymiskestävyys. Nuorrutusteräkset jaetaan eri ryhmiin seostuksen perusteella:
• Hiiliteräkset C = 0.3 - 0.5 %• C- Mn- teräkset C = 0.38 - 0.45 %, Mn = 1.1 - 1.4 %• Cr- Ni- teräkset C = 0.25 - 0.45, Cr = 0.5 - 2 %, Ni = 1 - 2 %• Cr- Mo- teräkset C = 0.3 - 0.45 %, Cr = 0.9 - 1.2 %, Mo = 0.15 -
0.25 %• Cr- Mo- Ni- teräkset C = 0.22 - 0.39 %. Cr = 0.9 - 1.6 %, Mo =
0.15 - 0.25 %, Ni = 0.3 - 1.6 %• Cr- V- teräkset C = 0.25 - 0.5 %, Cr = noin 1 %, V = noin 0.1 %• Si- Mn- teräkset C = 0.4 - 0.7 %, Si = 0.8 - 2 %, Mn = 0.6 - 1.1 %
60
Nuorrutusteräkset
Nuorrutusteräkset valitaan yleensä lujuuden tai karkenevuuden perusteella. Koneistettavuus edellyttää yleensä pehmeäksihehkutusta ja koneistus suoritetaan ennen nuorrutusta.
•Hitsattavuus yleensä heikko
Käyttökohteina erityisesti pyörivät konekomponentit
•Akselit, hammaspyörät
Myös työkaluja •Kirveet, lekat, vasarat
61
Nuorrutuspiirros
16
62
Hiiletysteräkset
Pienehköille kappaleille, joiden pintakerroksessa tarvitaan kovuutta ja hyvää kulumis- tai väsymiskestävyyttä, mutta sisustan tulee pysyä pehmeänä ja sitkeänä
•Niukka- tai keskihiilisiä teräksiä, joissa nykyisin myös kromia, nikkeliä ja molybdeeniä
•Periaatteessa koostumus kuten nuorrutusteräksellä, mutta pienempi hiilipitoisuus (paitsi hiilletyksen jälkeen pinnassa)
63
Hiilletysteräkset
Hiiletyksessä pinnan hiilipitoisuutta kohotetaan hehkuttamalla terästä hiiltä luovuttavassa atmosfäärissä
•Hiili kulkeutuu diffuusion välityksellä pinnasta kappaleen sisäosiin
•Pinnassa oleva korkeamman hiilipitoisuuden kerros muuttuu karkaisussa kovaksi martensiitiksi, kun taas hiilipitoisuudeltaan alhainen sisusta jää pehmeäksi ja sitkeäksi
•Karkaisussa pintaan muodostuu myös väsymiskestävyyden kannalta edullinen puristusjännitys martensiitinsuuremman ominaistilavuuden vuoksi
64
Hiiletysteräkset
Voivat olla hienoraekäsiteltyjä teräksiä, joita on lisäksi seostettu austeniitinrakeenkasvutaipumuksen rajoittamiseksihiiletyksessä
•Tyypillinen koostumus 0.17 %C, 1.5 %Cr, 1.55 %Ni ja 0.3 % Mo
•Käyttökohteina hammaspyörät, niveltapit ja -holkit, lyhyet akselit jne
65
Induktiokarkaistavat teräkset
Yleensä booriseosteisia teräksiä•Booria käytetään teräksen seosaineena pääasiassa
karkenevuuden kasvattamiseksi•Vaikutus jo pieninä pitoisuuksina•Halvempia seostettuihin teräksiin verrattuna
Suuremmilla pitoisuuksilla (B > 0.005%) muodostuvat, raerajoille asettuvatrautaboridit alentavat sitkeyttä
•Myös pieni (0,1-0,2%) hiilipitoisuus on otollinen
17
66 67
68
Pintakarkaisu
Boori vaikuttaa austeniitin hajaantumista hidastavasti (suotautuminen raerajoilleausteniitissa + borokarbidien erkautuminen); ferriitin ydintyminen estyy
•Boori on voimakas nitridin ja oksidin muodostaja•Boorin pitämiseksi liuoksessa booriteräkset seostettava
(tiivistettävä) alumiinilla, titaanilla, zirkoniumilla jne•Karkenevuus pienenee austeniitin raekoon kasvaessa•Perustyyppi hiilimangaaniteräs (hiili välillä 0.15 - 0.4 %,
Mn välillä 0.8 - 1.65 %)– Lisäksi Ti, V, Zr, Al. Esim. 0.18 % C, 1 % Mn, 0.25 % Si,
0.003 % B– Rp = 800 MPa, Rm = 900 MPa
69
Niukkaseosteiset kuumalujat teräkset
Tavallisesti niukka- tai keskihiilisiä, seosaineina pääasiallisesti kromi ja molybdeeni
•Hiilipitoisuus luokkaa 0.15-0.2 %, Cr n. 1 %, Mo n. 0.5 %•Pääasiallinen lujuusvaikutus liuoslujittumisen kautta•Käyttölämpötila-alue 550 °C- asteeseen saakka•Kehitysversiona kromipitoisuuden kasvattaminen: 9 % Cr
ja 12 % Cr sekä n. 1.5-2 % Mo sisältävät teräkset alkavat jo kuulua seostettujen teräslajien sarjaan
•Hiilipitoisuus hitsattavuuden turvaamiseksi matala•Käyttökohteina ennen kaikkea voimalaitoskattiloiden
lämmönvaihdinpinnat (vesiseinät, tulistimet, lämmönvaihtimet jne)
18
70
Valmistajia ja tukkureita
Rautaruukki• www.rautaruukki.fi
Imatrasteel• www.imatrasteel.com
Ovako• www.ovako.com
Böhler
Sten• www.sten.fi
Starckjohann Steel• www.starckjohannsteel.fi
Tibnor• www.tibnor.fi
Uddeholme• www.uddeholm.fi
Teräsrenki• www.terasrenki.com