KURZUS: Mérnöki anyagismeret

MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés

18. lecke: Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések

  • A teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések fogalma
  • A teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések csoportosítása
  • Lágyító és egyneműsítő kezelések célja
  • Lágyító és egyneműsítő kezelések fajtái, folyamata, alkalmazása
  • A normalizálás folyamata, célja, alkalmazása, a kialakuló szövetszerkezet
  • Az edzés célja
  • Edzhetőség, átedzhetőség fogalma, meghatározása
  • Az átedzhetőséget befolyásoló tényezők
  • A szívósságot fokozó hőkezelések
  • Nemesítés célja, alkalmazása
  • A edzett acél megeresztése során lejátszódó folyamatok
  • A kiválásos keményítés folyamata, alkalmazási lehetősége

A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:

  • definiálni a teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelés fogalmát
  • jellemezni a hőkezelés folyamatát és annak hatásait
  • kiválasztani a hőkezelést jellemző helyes állításokat
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:

  • lágyító és egyneműsítő
  • keménységet fokozó
  • szívósságot fokozó

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 γ α átalakulás vagy nem, azaz a hőmérséklet Ac3-nál magasabb, vagy az Ac1 alatt marad.

  • átkristályosodással nem járó hőkezelések T< Ac1
  • teljes átkristályosodással járó kezelések T> Ac3
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.
1. ábra. A feszültségcsökkentés idő-hőmérséklet diagramja
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.

2. ábra. A szemcsés perlit kialakulása

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).

3. ábra. 0,45% C tartalmú acél lágyított szövete
4. ábra. 0,8% C ötvözetlen szerszámacél lágyítás előtti és lágyított szövete

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 α γ 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.
5. ábra. A normalizálás hatása a szövetszerkezetre (0,45% C tartalmú acél)

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.

6. ábra. Kis (0,15% C és közepes (0,45% C) acél normalizált szövete

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
  • Ideálisan vagy teljesen átedződő szelvényátmérőnek nevezzük azt az átmérőt, amelynél az adott összetételű munkadarab teljes keresztmetszete martenzites lesz (v > vfkr)
  • átedződő szelvényátmérőnek (DI) nevezzük azt az átmérőt, amelynél az adott összetételű munkadarab magja 50%-ban martenzites, 50%-ban bainites lesz
  • A gyakorlatban az átedzhető szelvényátmérőt (DI) tekintjük edzhetőségi kritériumnak
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
7. ábra. A 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.
8. ábra. A Jominy próbatest lehűlésének bemutatása

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.

9. ábra. Ötvözetlen és ötvözött acélok Jominy görbéi

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.
10. ábra. Az ausztenit szemnagyságának hatása

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!

11. ábra. Az ötvözőelemek hatása

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.
  • Ismert az acél kémiai összetétele
  • Pl. a SAE J406-os szabvány tartalmazza az egyes ötvözők szorzófaktorát, melyből az átedzhető szelvényátmérőt (DI) lehet meghatározni
  • A DI-ből a szabványban ismertetett módon lehet a Jominy görbét származtatni

Példa: CrMo 35 acél

(SAE J406-os szabvány)
Az adott acél kémiai összetételét és a szorzótényezőket a táblázat tartalmazza.

ÖtvözőÖtvöző elemzett mennyisége %Szorzó tényező
C0,350,189
Mn0,863,867
Si0,261,182
Ni0,101,036
Cr0,963,074
Mo0,191,570
Cu0,221,080
V0,011,020

A szorzó faktorok szorzata adja az átedződő átmérőt: DI = 4,758" = 121 mm
A Jominy távolságból és az összetételből a szabványban lévő szorzótényezőkkel számítható a keménység is, erre itt nem térünk ki.

Edzés
  • Célja a martenzites szövetszerkezet, ezzel a legnagyobb keménység biztosítása.
  • Az edzés hőmérsékletének megválasztásakor az alábbiakat kell figyelembe venni:
    • Hipoeutektoidos acéloknál: Ac3 + 30 - 50 C°
    • Eutektoidos acéloknál: Ac1 + 30 - 50 C°
    • Hipereutektoidos acéloknál: Ac1 + 30 -50 C°
  • Az egyes acélfajták edzési hőmérsékletét a vonatkozó anyagszabványok tartalmazzák.
  • A hőntartási idő: a darab méreteitől függ
  • a lehűtés a v > vfkr  feltételt teljesítő víz, vizes emulzió vagy olaj, szerszámacélok esetében sófürdő.
  • Az edzett acél kemény, rideg, szerkezeti anyagként nem használható, ezért minden esetben szükség van egy újabb kezelésre, ez a megeresztés.
  • A megeresztés hőmérséklete általában 180- 200 C°, ideje legalább fél illetve egy óra. A kis hőmérsékletű megeresztés az acél ridegségét csökkenti a keménység jelentéktelen csökkenése mellett.
  • Az edzés keménységméréssel ellenőrizhető!
12. ábra. Az edzés idő - hőmérséklet diagramja
13. ábra. Edzett és megeresztett szövet
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!

14. ábra. Az edzést követő nagyhőmérsékletű megeresztés során lejátszódó folyamatok

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 ( ε 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.

15. ábra. Nemesített acél szövetszerkezete. Szferoidit
16. ábra. A mechanikai tulajdonságok változása egy ötvözetlen acél megeresztése során

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:

  • alumínium ötvözetek
  • mikroötvözött acélok
  • kúszásálló ötvözetek
17. ábra. A kiválásos keményítés folyamat Al-Cu ötvözeten bemutatva
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?
A keménység növelése a teljes keresztmetszetben.
Az alakíthatóság növelése a teljes keresztmetszetben.
Az előírt szövetszerkezet biztosítása a teljes keresztmetszetben.
Az előírt szövetszerkezet biztosítása a felületen.
2. Mi a lágyítás célja?
Az acél leglágyabb állapotának biztosítása.
A 0,3%-nál nagyobb C tartalmú acélok forgácsolhatóságának, alakíthatóságának biztosítása.
Az acélok forgácsolhatóságának, alakíthatóságának biztosítása.
Feszültségmentesítés.
3. Mi az edzés célja?
A szferoidit létrehozása.
Kemény, szívós állapot biztosítása.
A martenzites szerkezet biztosítása.
Lemezes perlit létrehozása.
4. Mi a lágyítás célja és milyen szövetszerkezet keletkezik?
Lágy feszültségmentes szövetszerkezet biztosítása, ferrit, lemezes perlit.
A forgácsolhatóság biztosítása, lemezes perlt.
Az alakíthatóság, a forgácsolhatóság biztosítása, szemcsés perlit.
A forgácsolhatóság biztosítása, martenzit.
5. Melyek az edzhetőség feltételei?
Ausztenites szövet a hűtés megkezdésekor, a C > 2%, v > vfkrit.
Ausztenites szövet a hűtés megkezdésekor, a C > 0,2%, v > vfkrit.
Martenzites szövet a hűtés megkezdésekor, a C > 2%, v < vfkrit.
Ausztenites szövet a hűtés megkezdésekor, a C <0, 2%, v > vfkrit.
6. Hogyan befolyásolják az ötvözőelemek az acélok átedzhetőségét?
Kivétel nélkül növelik.
Kivétel nélkül csökkentik.
A Co kivételével csökkentik.
A Co kivételével növelik.
7. Milyen szövetszerkezete lesz egy hipoeutektoidos acélnak normalizálás hatására?
Ferrit, szemcsés perlit.
Ferrit, lemezes perlit.
Martenzit.
Szferoidit.
8. Mi a megeresztés célja?
Az edzett acél keménységének csökkentése.
A martenzit ridegségének csökkentése a keménység számottevő csökkenése nélkül.
A lemezes perli szemcsésítése.
Az edzett acél keménységének fokozása.
9. Hogyan befolyásolja a normalizált acél mechanikai tulajdonságait a hőkezelt darab szelvényátmérője?
A szelvényátmérő növekedésével nő a szilárdság és az alakíthatóság.
A szelvényátmérő csökkenésével nő a szilárdság és az alakíthatóság.
A szelvényátmérő növekedésével csökken a szilárdság és az alakíthatóság.
A szelvényátmérő növekedésével csökken a szilárdság és nő az alakíthatóság.
10. Milyen anyagok leggyakoribb hőkezelése a kiválásos keményítés?
Ötvözetlen acélok.
Alumínium ötvözetek.
Szerszámacélok.
Szerkezeti acélok.