KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés
18. lecke: Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések
| ||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | ||||
| ||||
![]() | Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések | |||
A teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések célja a munkadarab megkívánt tulajdonságainak (leglágyabb állapot, egyenletes, finom szemcseszerkezet, keménység, szívósság stb.) kialakítása a teljes keresztmetszetben. | ||||
A kezelések lehetnek: | ||||
| ||||
Az anyagokra vonatkozó anyagszabványok a legfontosabb hőkezelések adatait tartalmazzák. | ||||
![]() | Lágyító és egyneműsítő hőkezelések | |||
A lágyító és egyneműsítő eljárások célja a lágy, homogén, finomszemcsés állapot biztosítása. Az ebbe a csoportba tartozó hőkezeléseket aszerint csoportosítjuk tovább, hogy a hőkezelés során történik-e átkristályosodás, azaz átalakulás vagy nem, azaz a hőmérséklet Ac3-nál magasabb, vagy az Ac1 alatt marad. | ||||
| ||||
![]() | Átkristályosodással nem járó hőkezelések | |||
Feszültségcsökkentés | ||||
Célja az anyagban lévő belső feszültségek csökkentése vagy megszüntetése. | ||||
A belső feszültségek az öntést, kovácsolást, hengerlést és hegesztést, követő egyenlőtlen hűtés, valamint hidegalakítás (hajlítás, egyengetés, nagyoló forgácsolás) során keletkeznek az acélokban. | ||||
A feszültségcsökkentésnél a munkadarabot 550-650 °C hőmérsékleten 2-6 órán át hőntartjuk, majd kemencével együtt hűtjük. | ||||
A feszültségcsökkenés alapja az, hogy a magasabb hőmérsékleten a folyáshatár lecsökken, és a belső feszültségek maradó alakváltozássá alakulva leépülnek. |
| |||
Lágyítás | ||||
A lemezes perlit forgácsoláskor a kemény karbidlemezeket el kell vágni, alakításkor össze kell törni. A szemcsés perlitben a cementit rögök kitérnek (kipattannak) a kés éle elől, illetve alakításkor a lágy ferrites alap könnyebben alakítható. | Cél:a 0,3%-nál nagyobb C tartalmú ötvözetlen valamint ötvözött acélok forgácsolhatóságának, alakíthatóságának biztosítása. | |||
Az acélt Ac1-nél 10-20 C°-al kisebb hőmérsékletre (680-700 C°-ra) hevítjük, itt hőntartjuk, majd kemencében hűtjük. A hőntartás időtartama ötvözetlen acélok esetében 2-3 óra, ötvözötteknél 4-5 óra. | ||||
A lágyítás Brinell keménységméréssel ellenőrizhető, a keménységértékeket az anyagszabványok tartalmazzák. | ||||
| ||||
![]() | ![]() Az ábrán figyelje meg, hogy a lemezes perlitben az Fe3C (cementit) lemezek felszakadoznak, azután "koagulálnak" (szemcse alakúvá válnak, mert ebben a gömb szerű alakban a legkisebb az adott térfogathoz tartozó felület). | |||
| ||||
| ||||
![]() | ![]() Figyelje meg, hogy a lágyítás előtti szövetszerkezetben határozottan felismerhetők a perlit lemezei. A lágyított szövetben a cementit szemcséket látjuk. | |||
![]() | ![]() Fontos! Mivel a lágyítás az Ac1 alatt végzett hőkezelés, nincs átalakulás ezért ebben az esetben nem finomítható a szövetszerkezet. | |||
Normalizálás | ||||
Célja a melegen alakított, hegesztett, öntött acélok túlhevített, durvaszemcsés, egyenlőtlen szemcseszerkezetének finomítása, a mechanikai tulajdonságok, sok esetben az edzhetőség javítása. | ||||
A normalizálás ausztenitesítésből, majd 5-10 perces hőntartás után nyugodt levegőn való lehűtésből áll. A keletkező szövetszerkezet a C tartalomtól függően ferrit, lemezes perlit vagy lemezes perlit és szekunder cementit. | ||||
A lehető legfinomabb ausztenit érdekében a normalizálás hőmérséklete: | ||||
Hipoeutektoidos acéloknál: Ac3 + 30 - 50 C° | ||||
Eutektoidos acéloknál: Ac1 + 30 - 50 C° | ||||
Az Accm vonal az Fe-Fe3C diagram ES vonalának felel meg | Hipereutektoidos acéloknál, ha nincs szekunder cementit háló. Ac1 + 30 -50 C°, ha van: Accm hőmérsékletre hevítéssel a hálót feloldják, az újbóli kialakulását gyors hűtéssel megakadályozzák, és ezután normalizálnak. | |||
A kisebb szelvényátmérő esetében a darab a levegő hűtés hatására gyorsabban hűl, mint a vastag szelvényű. Ennek eredményeként a kisebb szelvényű darab szilárdsági jellemzői (ReH; Rm) nagyobbak, alakíthatósága viszont kisebb lesz. | A normalizált acélok mechanikai jellemzői a szelvényátmérőtől függnek! | |||
A világos a ferrit, a sötét a perlit. |
| |||
![]() | ![]() Figyelje meg a szövetképeket. Az a) szállítási állapotú esetben durva szemcséket, helyenként tűs jellegű ferritet is megfigyelhetünk, míg a b) normalizált esetben egyenletes és finom a szemcseszerkezet. A finom szemcse kedvező az anyagtulajdonságok szempontjából. | |||
| ||||
Szövetszerkezet: ferrit + perlit (lemezes) | ||||
![]() | Keménységet fokozó hőkezelések | |||
Nem minden acél edzhető, ezért értelmezni kell az edzhetőséget és az átedzhetőséget. | Cél: az acél legnagyobb keménységének biztosítása. Az acél martenzites állapotban a legkeményebb. A martenzit úgy érhető el, hogy az acélt homogén ausztenites állapotból a felső kritikus lehűlési sebességnél gyorsabban hűtjük. Ezt a műveletet, mint hőkezelést edzésnek nevezzük. | |||
Az edzés célja a martenzites szövetszerkezet biztosítása! | ||||
Az acél edzhetősége, átedzhetősége | ||||
Mivel a martenzit csak ausztenitből keletkezhet a hűtés megkezdésére a szövetet ausztenitesíteni kell. | Az acélnak azt a tulajdonságát, hogy ausztenites állapotból vfkr-nél nagyobb sebességgel hűtve martenzitessé tehető az acél edzhetőségének nevezzük. | |||
Az edzhetőség feltételei: | ||||
![]() | ![]() Az ausztenit nagyon fontos. A hipoeutektoidos acéloknál már az Ac1 (723 C°) hőmérsékleten megjelenik az ausztenit, ennek C tartalma 0,8%, lehűtve a legkeményebb martenzitet kapnánk. Azonban ezen a hőmérsékleten az ausztenit mellett ferrit van, ami nagyon lágy. Az így kapott szövetben lágy és kemény foltok váltanák egymást. Ez a kopás szempontjából kedvezőtlen, ezért hevítünk fel az Ac3 (GS vonal) fölé, még akkor is, ha az itt keletkezett ausztenitből kisebb keménységű martanzitet kapunk, de ebben az esetben a keménység a felületen egyforma. A 0,8 %C hipereutektoidos acélok esetében csak az Ac1 fölé hevítünk. Igaz, hogy itt az ausztenit mellett van Fe3CII is, de ennek a keménysége a martenzit keménységéhez hasonlóan nagy (kb. 700-720 HV) így a szövet egyenletes lesz. A hőmérsékletet növelésével feloldódna a Fe3C a z ausztenitben, de az ausztenit durvulna, és különben is a martenzit keménysége C > 0,8% fölött már nem nő a C tartalommal. | |||
![]() | ![]() A C > 0,2% abból adódik, hogy a ausztenitből martenzit átalakulás feltétele, hogy gyorsabb legyen a lehűtés a felső kritikus lehűlési sebességnél (vfkr). A hűtés hűtőközeggel oldható meg. A leggyorsabb lehűtést vízzel érhetjük el, de a víz hűtési sebessége kisebb, mint a 0,2%-nál kisebb C tartalmú acélok felső kritikus lehűtési sebessége, tehát az átalakulás nem hozható létre. | |||
![]() | ![]() A lehűlési sebesség legyen nagyobb, mint a vfkr, hogy a szövetszerkezetben a martenzit mellett, ne jelenjen meg egyéb a martenzitnél lágyabb szövetelem (ferrit, perlit, bainit). Az ausztenitet az Ms hőmérsékletig kell v > vfkr sebességgel hűteni, hogy elkerüljük a perlites, vagy bainites átalakulást. Ettől kezdve bármilyen, de folyamatos lehűtés szükséges, ahhoz, hogy az átalakulás befejeződjék. | |||
A v > vfkr a darab felületén megvalósítható, ha megvan a C tartalom és a megfelelő hőmérséklet. A darab belseje azonban mindig lassabban hűl, mint a felület. | ||||
Az átedződő szelvényátmérőt kísérlettel vagy a kémiai összetétel ismeretében számítással határozzuk meg. Az átedződő szelvényátmérő mindig nagyobb, mint az ideálisan átedződő. A gyakorlatban a DI átedződő szelvényátmérőt használják. | Az eltérés annál nagyobb, minél vastagabb a darab, és minél kisebb az anyag hővezető képessége illetve minél kisebb a hűtőközeg hőelvonó képessége. Ez az oka annak, hogy nem érhetjük el tetszőleges keresztmetszetben a martenzites állapotot. Értelmeznünk kell tehát az átedzhetőséget. | |||
Az átedzhetőség fogalma | ||||
| ||||
Az edzhetőség vizsgálata Jominy próbával | ||||
A különböző átmérőjű rudakon végzett kísérletek helyett jól reprodukálható, szabványos vizsgálatot vezettek be, ez a Jominy próba (véglap edzési próba). | ||||
A Jominy próba 25,4 mm átmérőjű, 100 mm hosszú hengeres rúd, melyet ausztenitesítés után a véglapon vízsugárral hűtenek. | ||||
A vizsgálati eredmény a paláston mért keménység eloszlás. | ||||
Jominy vizsgálat | ||||
| ||||
A vízsugár intenzitása, ezáltal a hűlési sebesség állandósága az esési magassággal szabályozott. | ![]() | ![]() A kemencében ausztenitesített darabot elhelyezzük a készülékben és a véglapját a vízcsövön kiáramló vízzel hűtjük. (A darab lehűlési viszonyait a 8. ábrán figyelheti meg). | ||
A Jominy görbe vízszintes tengelyén a véglaptól mért távolság, függőleges tengelyén pedig a keménység (HRC vagy HV) van feltüntetve. |
| |||
![]() | ![]() A véglap a vízhűtés hatására martenzites lesz. A véglaptól távolodva a lehűlés sebessége csökken. Az ábrán az adott lehűlési sebességeknek megfelelő pontok is be vannak rajzolva a kísérlet eredményeiből megrajzolt Jominy görbén. | |||
| ||||
![]() | ![]() Az ábrán három különböző C tartalmú ötvözetlen és két ötvözött acél Jominy görbéje látható. Figyelje meg! A legnagyobb keménység a C tartalomtól függ, a C tartalom növekedésével nő a felületen elérhető keménység. Az ötvözők nagyobb mélységig biztosítják a nagyobb keménységet, tehát növelik az átedződő szelvényátmérőt. | |||
Az átedzhetőséget befolyásoló tényezők | ||||
Az ausztenit szemcsenagyság átedződő szelvényátmérőt növelő hatását a gyakorlatban nem használjuk ki, mert a durva ausztenitből rideg, rossz tulajdonságú martenzitet kapunk és az edzési repedések kialakulásának esélye is nő. |
| |||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrát! A függőleges tengelyen az átedződő szelvényátmérő, míg a vízszintes tengelyen a C tartalom van feltüntetve. A számok 4-8-ig a szemcsenagyságot mutatják, a 8-as a legkisebb szemcse. | |||
![]() | ![]() Minél nagyobb az ausztenit szemcsenagyság, annál jobb az átedzhetőség. A C tartalom a többi ötvözőelemhez hasonlóan növeli az átedzhetőséget! | |||
| ||||
Az ábrán az ötvözőfém tartalom függvényében az ötvözők átedződő szelvényátmérőt növelő hatása az ún. szorzótényezővel van kifejezve. Minél nagyobb a szorzótényező, annál erőteljesebb az ötvöző hatása. Megjegyzés. Az ötvözők (kivéve a kobalt) az ausztenit átalakulási diagramjának vonalait (C görbék) jobbra, a nagyobb idők felé tolják, így csökkentik a vfkr értékét! | ||||
A Jominy görbe és az átedzhető átmérő meghatározása számítással | ||||
A kémiai összetétel meghatározható, de a gyártómű a műbizonylaton is megadja. |
|
Példa: CrMo 35 acél | ||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||
A szorzó faktorok szorzata adja az átedződő átmérőt: DI = 4,758" = 121 mm |
Edzés | ||||
| ||||
| ||||
| ||||
![]() | Szívósságot fokozó hőkezelések | |||
A szívósság nagyon fontos jellemzője a szerkezeti anyagoknak. A szívósság egyik tényezője a szilárdság a másik az alakváltozó képesség. A szívósság a legnagyobb szilárdság melletti legnagyobb alakváltozó képesség. | ||||
A szívósság az ütőmunkával jellemezhető (KV; KU). A szívósság annál nagyobb, minél finomabb és egyenletesebb a szerkezet. A kis C tartalmú acélok normalizált állapotban a legszívósabbak. A közepes (0,2-0,3%-nál nagyobb a C %) acélok legszívósabb állapotát biztosító hőkezelés a nemesítés. | ||||
A nemesítés = edzés + nagyhőmérsékletű megeresztés! | ||||
| ||||
![]() | ![]() A gyors hűtést követően a martenzit nagyon rideg, mert a rácsban bennszorultak a C atomok és azt tetragonálissá torzították. A nagyon nagy belső feszültségek miatt már nagyon alacsony hőmérsékleten (100 C° alatt a C atomok igyekeznek a rácsból kidiffundálni. Nagy utat nem tudnak megtenni, ezért nagyon finom eloszlásban karbidokat hoznak létre ( karbid). Ezek a karbidok átmeneti karbidok (nem stabil). A 300 C° körüli hőmérséklet tartományban a maradék ausztenit bainitté alakulása a jellemző, természetesen a C diffúzió tovább folytatódik a torzultság mértéke egyre csökken. 400 C° körül már az összes C atom kidiffundál, a martenzitből ferrit lesz. Az átmeneti karbidok pedig vaskarbiddá (Fe3C) alakulnak. Ezt a szövetet, amely martenzitből keletkezik és ferrit alapba ágyazott cementit rögökből áll nevezzük szferoiditnek. | |||
| ||||
| ||||
![]() | ![]() Az ábrán megfigyelhető, hogy a meresztési hőmérséklet növelésével csökken a szilárdság, nő az alakváltozóképesség, de különösen jelentős a szívósság mérőszáma az ütőmunka. | |||
Kiválásos keményítés | ||||
A kiválásos keményítés a szilárdságnövelés hatékony eszköze abban az esetben, ha az alapfém és az ötvöző egymással szilárdoldatot alkot, az oldódás korlátozott, és a szilárd állapotban való kiválás az ötvöző és az alapfém vegyületének formájában történik. | ||||
Alkalmazás: | ||||
| ||||
| ||||
A gyors hűtést követő kezelést öregbítésnek is nevezik. | ![]() | ![]() A kezelés során először oldatba visszük a vegyületet. (Felhevítés a sötétre színezett szilárd oldat területbe). Ezután gyors hűtés (Víz XA vonal). Ezután vagy szobahőmérsékleten vagy alacsony kb. 100-150 C°-on a vegyület nagyon finom formában kiválik (. Ez a mechanikai tulajdonságok szempontjából nagyon kedvező. (B kép). A D kép lassú hűtést mutat, a vegyület durva kiválásokat alkot a szilárd oldat krisztallitok határán. A C képen pedig túl magas hőmérsékletet választottak a gyors hűtést követő kezeléshez és az anyag "túlöregbített". |
Ellenőrző kérdések | |||||||||
Jelölje meg az egy helyes választ! | |||||||||
1. Mi a teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések célja?
![]() | |||||||||
2. Mi a lágyítás célja?
![]() | |||||||||
3. Mi az edzés célja?
![]() | |||||||||
4. Mi a lágyítás célja és milyen szövetszerkezet keletkezik?
![]() | |||||||||
5. Melyek az edzhetőség feltételei?
![]() | |||||||||
6. Hogyan befolyásolják az ötvözőelemek az acélok átedzhetőségét?
![]() | |||||||||
7. Milyen szövetszerkezete lesz egy hipoeutektoidos acélnak normalizálás hatására?
![]() | |||||||||
8. Mi a megeresztés célja?
![]() | |||||||||
9. Hogyan befolyásolja a normalizált acél mechanikai tulajdonságait a hőkezelt darab szelvényátmérője?
![]() | |||||||||
10. Milyen anyagok leggyakoribb hőkezelése a kiválásos keményítés?
![]() |