KURZUS: Mérnöki anyagismeret

MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés

19. lecke: Felületi hőkezelések

  • A felületi hőkezelések célja
  • A felületi hőkezelések áttekintése az edzhetőség feltételei alapján
  • A felületi edzés lényege
  • A lángedzés elve, alkalmazása
  • Az indukciós edzés lényege, alkalmazása, előnyei, hátránya
  • A kontúredzés lényege, alkalmazási lehetősége
  • Elektronsugaras kezelések
  • Az összetételt változtató hőkezelések elve, a közeg és a darab közötti kölcsönhatás
  • Nitridálás, karbonitridálás elve, alkalmazása, a nitridált kéreg szerkezete
  • A betétedzés lényege.
  • A cementálás folyamata, a cementált darab jellemzői
  • A cementálást követő hőkezelések
  • Gőzfázisú bevonatolás lényege, alkalmazása

A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:

  • jellemezni a felületi hőkezeléseket
  • megadni a felületi hőkezelések célját
  • jellemezni a láng- és az indukciós edzést
  • jellemezni a nitridálás és a cementálás folyamatát
Felületi hőkezelések

A gyakorlatban sokszor merül fel az az igény, hogy az alkatrész a kopásnak kitett felületén legyen kemény, kopásálló, a magja pedig legyen szívós. A járműiparból vett példával élve egy állócsap vagy gömbcsap legyen hosszú ideig mérettartó (kopásálló), de egy ütközés során ne törjön el, hanem deformálódva de, maradjon a helyén. Ez az elvárás a kemény kopásálló felület (kéreg) és szívós mag felületi edzéssel vagy egyidejűleg alkalmazott hő-és vegyi hatásokkal érhető el.

Így megkülönböztetünk:

  • összetételt nem változtató felületi edzéseket
  • összetételt változtató kérgesítő eljárásokat
A felületi hőkezelések áttekintése az edzhetőség feltételei alapján

A felületi edzések alapelve az, hogy az edzéshez szükséges 3 feltétel közül mindhárom, csak a kéregben teljesül

    • Ha az 1. feltétel nem teljesül a magban, C > 0,2 % összetételű anyagot csak a felületen hevítjük fel, és hűtjük v > vfkr sebességgel. Ez a felületi edzés, pl. láng vagy indukciós edzés.
    • Ha a 3. feltétel nem teljesül mert C < 0,2%, akkor a felületen megnöveljük a C tartalmat, és azután edzünk. Ez a betétedzés.

A kitűzött célt úgy is elérhetjük, hogy a felületbe diffundáltatunk valamilyen elemet pl. N vagy B, mely vegyületet képezve növeli a felületi keménységet.

Az acél összetételét nem változtató felületi kezelések. Felületi edzések

A felületet meghatározott mélységig T > Ac3 hőmérsékletre hevítik, és onnan a vfkr-nél gyorsabban hűtik.

A kéregvastagságnak megfelelő mélységű hevítéshez rendkívül nagy hevítési sebességet (500-1000 C°/sec) kell elérni, amely csak nagy felületi teljesítménnyel lehetséges (1000-10000 W/cm2). A kéreg hevítése közben  a mag hőmérséklete és szövetszerkezete nem változik.

A nagy hőteljesítmény, a gyors hevítés acetilén - oxigén gázlánggal vagy indukciós hevítéssel elektronsugárral, lézerrel valósítható meg.

Lángedzés
A rajzon sötét színnel jelzett kéreg az edzett.
1. ábra. A lángedzés elve
(1. munkadarab, 2. égősor, 3. a hűtőfej)

A darab felületét nagyteljesítményű gézégőkkel hevítjük, majd vízzel hűtjük.
A kéregvastagság 1,0-5 mm

A technológia lehet szakaszos (a teljes felület hevítése majd hűtése) vagy folyamatos (az égőfej, vagy a darab mozog, és folyamatos a hűtés).

A hőmérséklet eloszlást a szelvényben az időegység alatt felvett teljesítmény és a darab hővezető képessége befolyásolja. Nagyobb hőmérsékletű lánggal (acetilén - oxigén a lánghőmérséklet kb.  3000 C°) gyorsabb felmelegedés érhető el, és mivel kevesebb idő van a hő elvezetésére a kéreg vékonyabb lehet. A hűtés vízzel történik, melynek hűtőhatása műanyag bázisú adalékokkal szabályozható.

A kezelt darabban nagy belső feszültségek maradnak vissza ezért 150 -200 C°-on meg kell ereszteni.

A lángedzés alkalmazása: pl. nagyméretű fogas- és lánckerekek, kötélhornyok, tengelyek, eszterga szánvezetékek, csúszólapok, forgattyústengely csapok stb. A lángedzés annál gazdaságosabb, minél kisebb az edzendő felület az összfelülethez képest.

Előnye, hogy egyszerű, olcsó, így kis darabszám esetén is gazdaságos lehet.
Hátránya, hogy a kéregvastagság nem lehet kisebb, mint 1 mm és nem szabályozható pontosan.

Indukciós edzés

Az indukciós hevítés elvi alapja az, hogy egy váltóárammal átjárt vezető erőterébe helyezett acél a benne fellépő mágneses (hiszterézis) és villamos (örvényáram) veszteségek miatt felmelegszik.

A hűtés vízzel, vagy vizes oldattal történik.

A jelenség frekvencia függő. Minél nagyobb a frekvencia annál kisebb a felmelegedő kéreg vastagsága (szkin effektus).
2. ábra. Az indukciós edzés elve
  • Használatos frekvenciák:
    • középfrekvencia 2500-10000 Hz 1-3 mm-nél vastagabb kéreghez
    • nagyfrekvencia 3 mm-nél vékonyabb kéreghez
  • A darabokat az indukciós edzés után 150-180 C°-on meg kell ereszteni.

Az indukciós edzés jellemzői

  • Előnye: gyors, revementes, pontosan szabályozható, automatizálható, mind a kéregvastagság, mind a kéregkifutás tekintetében.
  • Hátránya: nagy beruházási költség, mely csak nagy darabszám esetén teszi gazdaságossá.
  • Alkalmazás: fogaskerekek, bordástengelyek, gépjármű alkatrészek pl. vezérmű tengely bütykök, forgattyústengely csapok, kormánygömbcsapszeg stb.
  • Indukciós edzésre csak a 0,35%-nál nagyobb karbontartalmú acélok alkalmasak.
Fogaskerekek indukciós edzése
3. ábra. A frekvencia hatása fogaskerék összfogedzésén bemutatva

Az összfogedzésnél az induktor tekercs körülveszi a fogaskereket.

Az összfogedzés  esetén az induktorba helyezett fogaskereket álló vagy forgó helyzetben edzési hőmérsékletre hevítjük és azután megfelelő hűtőközeggel leeddzük. Ez a módszer a kisebb kerekek edzésére alkalmas.

Az edzett kéreg alakja befolyásolható az áramparaméterekkel (áramerősség, feszültség, idő stb.) A nagyfrekvenciás kezelésnél a kéreg vékony követi a fogprofilt.

A kis frekvencia alkalmazásakor az egész fog beedződik.

4. ábra. Összfogedzés
5. ábra. A fogoldal edzése

A fogoldaledzés módszerével a fogaskerekek fogait egyenként előtolással eddzük. Ez a módszer nagy igénybevételű fogaskerekek kérgesítésére alkalmas elsősorban.
A fejkör és a lábkör lágyan maradt!

6. ábra. Fogankénti edzés

A fogankénti edzés során az induktor csak egy fogat vesz körül. A darabot forgatni kell. Ebben az esetben a fejkörön nem keletkezik kéreg.

Kontúr edzés

A járműipar igen nagy mennyiségben igényli a fogaskerekeket ill. olyan alkatrészeket, amelyeknek kemény kéreggel és szívós maggal kell rendelkezni. A gyártási költségek csökkentése érdekében minimalizálni kell a felületi hőkezeléseket követő megmunkálásokat. Ennek feltétele, hogy a darabok méretváltozása a hőkezelés során minimális legyen és a minőség a lehető legegyenletesebb legyen. Ennek az igen szigorú elvárásnak a teljesítésére dolgozták ki a kettős frekvenciás mikro impulzus kontúr edzési eljárást.

A kettős frekvencia hátránya a berendezés magas ára.
7. ábra. A kontúr és a hagyományos edzés idő-hőmérséklet diagramjának az összehasonlítása

A diagram vízszintes tengelyén az idő, függőleges tengelyén a hőmérséklet van feltüntetve. A kontúr edzés esetében az első kisfrekvenciával (itt 3 kHz) végzett hevítés az előmelegítésre szolgál. Ezt követően nagy frekvenciával (210 kHz) a készre hevítést végezzük.

A jobb oldali ábra a hagyományos indukciós edzést mutatja. Itt egyféle frekvenciával történik a darab felhevítése, majd a gyors lehűtése.

A kontúr edzés egy frekvenciával, az egyes szakaszokban a teljesítmény változtatásával is megvalósítható.

8. ábra. A teljesítmény szabályozásával megvalósított kontúr edzés

A nagyon költséges berendezés helyett alkalmazható a teljesítmény szabályozás is. Ebben az esetben a darabot  pl. a fogaskereket behelyezik az  induktorba, és a teljesítmény szabályozásával valósítják meg az előmelegítést, a készre hevítést sőt a megeresztést is.

9. ábra. A kontúr edzés folyamata
Megeresztés

A hagyományos indukciós edzés esetében a megeresztés kemencében végzik 150-180 C°-on legalább egy órás hőntartással.

Az időigényes megeresztés kiváltására két eljárás használható.

Ezek:

  • "ön-megeresztés" vagy megeresztés a visszamaradó hő segítségével

    Az "önmegeresztés" csak nagyobb méretű darabok esetében alkalmazható. Azt jelenti, hogy a darabot edzéskor nem hűtjük le teljesen, hanem csak egy nagyon rövid ideig hűtjük. Ezt követően a felhevített kéreg belsejéből kifelé áramló hő a martenzitesre edződött kérget megereszti.
    Indukciós megeresztés esetén egy induktorban csökkentett teljesítménnyel kezeljük a darabot. A hőmérséklet magasabb, mint a hagyományos megeresztésnél kb. 400 C°, ez azért kell, hogy a diffúziós folyamatok a rövid idő alatt is le tudjanak játszódni.
  • indukciós megeresztés
10. ábra. Indukciósan edzett darabok
11. ábra. Indukciósan edzett féltengely

A darab középfrekvenciásan edzett. A kép felső része a hosszmetszet, a középső keresztmetszet, míg az alsó kép azt mutatja, hogy az indukciós edzésnél befolyásolni tudjuk az edzett kéreg alakját is.

Nagy energiájú forrásokkal végzett kezelések

Lézer, plazma és elektronsugárzás felhasználásával nagyobb, mint 104 W/m2 felületi teljesítmény érhető el, vagyis a szokásos hőforrásoknál 1000-10000-szer nagyobb. Ilyen energiaforrásokat felhasználva az acélok felületkezelésére az eddig tárgyalt eljárásokhoz képest lényegesen kedvezőbb jelenségek játszódnak le, és ennek következtében eddig nem észlelt anyagtulajdonságok alakulnak ki.

Jellemzőik:

  • Az ütközési pontban a legnagyobb az energia sűrűség. A hevítés sebessége 106-108 K/sec.
  • A sugár nagyon pontosan szabályozható, automatizálás szükséges.
  • A felhevített térfogat nagyon kicsi, a kezelt és az alapanyag közötti nagy hőmérséklet-gradiens miatt igen gyors a lehűlés, ami ultrafinom martenzit képződését eredményezi.
  • A nagyon magas hőmérsékleten nagyon intenzív a diffúzió, ezért lehetséges a felület átolvasztása illetve ötvözése.
  • Megnő a pont és a vonalszerű rácshibák száma, a kiválások nagyon finomak lesznek.
  • A több szilárdságnövelő mechanizmus együttes eredménye a szuperkeménység.
Elektronsugaras kezelés

Az elektronsugaras kezelés során a vákuumkamrában elhelyezett darab felületet tekercsekkel fókuszált elektronsugárral kezelik.

Az átolvasztás argon védőgáz alatt a munkadarab és egy wolfram elektróda között húzott ívvel is elvégezhető.
12. ábra. Öntöttvas vezérműtengely átolvasztása elektronsugárral

Az szürke töretű, lemez vagy gömbgrafitos öntöttvasból készült vezérműtengelyeket elektronsugár segítségével átolvasztják. A jól fókuszált elektronsugár kis térfogatban megolvasztja a fémet és a bütyök nagy tömegének hőelvonása hatására a gyorsan hűlt rész karbidosan fog kristályosodni, azaz kemény, kopásálló lesz. Az első ábrán az elektronsugár vezetése "útja" figyelhető meg. A második a kezelt felületet mutatja, míg a harmadik az átolvasztott bütyök szövetét. (A fehér rész a karbidosan kristályosodott kemény, kopásálló rész.)

Elektronsugaras edzés
Az elektronsugaras edzéssel kezelt darabok felülete nem igényel utólagos megmunkálást.

Az elektronsugaras edzés során a vakuumkamrában elhelyezett darab felületet tekercsekkel fókuszált elektronsugárral kezelik.
Az eljárás hasonló a felületi edzéshez, csak ebben az esetben nincs szükség külön hűtőközegre.
A keletkező martenzit finom, keménysége az ausztenitben oldott karbon mennyiségétől függ.

Az elektronsugaras felületedzés folyamatát nemcsak az edzés, de a hevítés periódusában is rendkívül nagy sebességek (103-107 K/s) jellemzik. Ebből következik, hogy a homogén austenites állapot eléréséhez jóval magasabb hőmérsékletre van szükség, mint hagyományos hevítési sebességek esetén. A perlit-grafitos öntöttvasak felületedzése során a grafit változatlan marad a martensitesre edzett mátrixban, s rendkívül kedvező súrlódási-kopási viszonyokat eredményez.

A vezérműtengelyek elektronsugaras edzése során a megfelelő kopásállóság érdekében a bütyköket kb. 0,5 mm mélységben martenzitesre kell edzeni. Az edzett kéreg kopásállósága abban az esetben megfelelő, ha a felületi keménysége 600-700 HV (55-60 HRC) között van. Ez abban az esetben érhető el, ha a fémmátrix martenzit. Meg kell jegyezni, hogy a martenzit keménysége annak az ausztenitnek a karbontartalmától függ, amelyikből keletkezik.

13. ábra. Az edzett kéreg alakja, a kéreg szövetszerkezete
14. ábra. Elektronsugarasan kezelt darab felülete
Az összetételt változtató termokémiai kezelések

A termokémiai kezelések célja az acél felületén meghatározott mélységig valamilyen fémes vagy nemfémes elem koncentrációját megnövelni (a felület ötvözése), és így a kéreg tulajdonságát a kívánt módon megváltoztatni. Az eljárások célja lehet mechanikai-, hő-és vegyi hatásokkal szembeni ellenállás növelése. A legtöbb esetben azonban a cél a felület kopásállóságának és a munkadarab kifáradással szembeni ellenállásának növelése a kemény kéreg és szívós mag biztosításával.

A felület ötvözésére különféle termokémiai eljárások terjedtek el, amelyekkel leggyakrabban karbont és nitrogént, ritkábban bórt, krómot, alumíniumot, szilíciumot juttatunk diffúzió útján az anyag felületébe.

A kéreg vastagsága az eljárás jellegzetességétől, a darab méretétől függően betétedzés, nitrocementálás esetében kb. 0,1-2 mm, karbonitridálásnál kb. 20 μ m.

A felület ötvözéséhez szükséges elemet a darabot körülvevő közeg biztosítja. A közeg feladata, hogy a felülettel kölcsönhatásba lépve, azt valamilyen elemmel feldúsítsa.

A kölcsönhatás három részfolyamatra bontható:

Nitridálás, karbonitridálás
  • A nitridálás célja az acél felületébe nitrogén bejuttatása, amely a felületen kemény kopásálló, korrózióálló, a kifáradással szemben ellenálló kérget hoz létre anélkül, hogy azt edzeni kellene.
  • A darabot a kezelés megkezdése előtt a legtöbb esetben nemesítik
  • A karbonitridálás esetében a nitrogénnel egyidejűleg karbon is diffundál a felületbe, aminek hatására a nitrideken kívül kemény karbonitridek is keletkeznek.
  • A nitridáló közeg általában ammónia, és mivel a nitrogén a ferritben jobban oldódik. A kezelés hőmérséklete 500-600 C°. A kemencetérbe bevezetett ammónia az acél felületén alkotóira bomlik.
  • A kezelési idő 30-40 óra
  • Gáznitridálásra nitridképző ötvözőkkel ötvözött acélokat használunk.

Ilyen ötvözők a Cr, az Al a Mo és a V
Az elérhető felületi keménysége 62-67 HRC.

Nitridált kéreg

A nitridált kéreg szerkezete

15. ábra. Nitridált kéreg
  • A nitridált kéreg vastagsága 0,2-0,8 mm
  • A kéreg szerkezete nem egységes. A felületen egy néhány mikron vastagságú vegyületi réteg "fehér kéreg" található. Ezt a vegyületi réteget vas és ötvöző nitridek alkotják. Alatta a befelé haladó nitrogén diffúziós frontnak megfelelően, élesen elválasztva a diffúziós zóna van.

Karbonitridálás, nikotrálás

A gyakorlatban elterjedtebben alkalmazott a karbonitridálás (nikotrálás), ahol a közeg 50% ammónia és 50% cementáló gáz. A kezelés hőmérséklete 570 C° ideje 3-4 óra. A kéreg két részből áll: 10-20 μ m vastagságú vegyületi kéreg (nitridek), alatta 0,3-0,5 mm nitrogénben dús diffúziós zóna.

A nitridálást, nikotrálást koptató hatásnak és ismételt igénybevételnek kitett alkatrészeknél használják. pl. motor főtengelyek, szelepemelő himba, vezérmű tengelyek, fogaskerekek, kipufogó szelepek, bordástengelyek stb. A vegyületi zóna 300 C°-ig még szárazfutás esetén is kopásálló. A diffúziós réteg nagy nitrogéntartalmú és a martenzites kéreghez hasonlóan kopásálló, annak ellenére, hogy a keménysége kisebb.

16. ábra. Nikotrált kéreg

Betétedzés

Mint a felületi hőkezeléseknél általában a betétedzésnél is a cél a kemény, kopásálló, ismételt igénybevételnek jól ellenálló kéreg és a szívós mag biztosítása. A betétedzést jelentős nyomó-, hajlító- és csavaró igénybevétellel terhelt, nagy fajlagos felületi terheléseket átvivő alkatrészek (fogaskerekek, csapszeg stb.) kezelésére használják.

A betétedzés lényege, hogy a kis C tartalmú, nagyon szívós acélok felületi rétegét karbonnal dúsítják, majd az ily módon a kérgében edzhetővé vált darabot edzik.

A betétedzés = cementálás + edzés

Cementálás
  • A cementálás során az alkatrészt karbont leadó közegben 850-930 C°, ma egyre magasabb gyakran 950-970 C°-on izzítjuk.

A cementálás két részfolyamatból áll. A karbon atomok a cementáló közegből az ott lejátszódó reakciók következményeként az acél felületére mennek, ott megtapadnak, majd diffundálnak az anyag belsejébe.

  • A cementáló közeg lehet: szilárd (faszén, csontszén, koksz), folyékony (sófürdő + karbont leadó anyag) vagy gáz. Ipari körülmények között már csak a gázcementálásnak van jelentősége.

A gáz cementáló szerek hatóanyaga CO vagy szénhidrogén vegyület, pl. metán, propán toluol, éter vagy hasonlók. A szobahőmérsékleten cseppfolyós szénhidrogéneket gőz alakban juttatják a cementáló térbe úgy, hogy valami alkalmas hordozógázt 15-25% szénhidrogénnel telítünk. A hordozógáz lehet semleges hatású pl. nitrogén, lehet maga is karbonizáló pl. CO, de lehet dekarbonizáló is pl. hidrogén, vagy nitrogén-hidrogén-szénmonoxid gázkeverék.

Azok a cementáló közegek, amelyeknek a CO a hatóanyaga enyhén karbonizálnak, amelyekben pedig szénhidrogének vannak erélyesen hatnak. Arról van szó ugyanis, hogy a CO-ból bizonyos idő alatt kevés C adszorbeálódik a darab felületén, hogy oldódhassék az ausztenitben, míg a szénhidrogénekből lényegesen több. A CO-ból átvett kevés karbon befelé diffundál, mégpedig olyan gyorsan, hogy a felületi rétegben megmaradó legnagyobb karbon tartalom idővel csak lassan nő. A szénhidrogének időegység alatt sok karbont adnak át a cementálandó darab felületén, úgyhogy az nem tud eldiffundálni befelé. Enyhén ható cementáló szerben hosszú idő alatt is aránylag kis C tartalmú, mély kérget kapunk, erélyes cementáló szerben pedig rövid idő alatt is nagy C tartalmú, de sekély kérget. A nagy felület közeli C tartalmat diffúziós izzítással tudjuk csökkenteni, ami a kéregvastagságot is növeli. A cementálás hőmérséklete a kéreg legnagyobb karbon tartalmát, de természetesen a diffúziót is befolyásolja.

A hagyományos gázcementáló eljárásoknál a kisebb méretű fogaskerekekre szokásosan előírt 0,5-0,9 mm kéregvastagság eléréséhez a kezelési idő a hőmérséklettől függöen 6-8 óra. A kezelés utolsó órájában általában diffúziós izzítás történik a felületi nagy karbontartalom, ezzel a szekunder cementit háló elkerülése érdekében.
17. ábra. A cementálás hőmérsékletének és az időnek a hatása a kéreg vastagságára és karbon tartalmára

A hagyományos cementálás legnagyobb hátránya a hosszú kezelési idő. Ez egyrészt gazdaságtalan, másrészt az ausztenit a hosszú cementálási idő alatt eldurvulhat, (kivéve finomszemcsés acélok) ami kedvezőtlen tulajdonságú kérget és magot eredményezhet.

A probléma megoldására dolgozták ki a kisnyomású (vakuum cementálás) cementálást.

A kisnyomású cementálás 1-18 mbar vakuumban történik. A cementáló gáz propán.

A kemencében termikus bomlással egy propán molekulából 3 aktív C atom képződik.

A cementálandó adaggal megrakott 10-100Pa nyomású, a cementálás hőmérsékletére felhevített (a kezelés hőmérséklete 960-970 C°) vakuum kamrába propánt vezetnek A gáz bevezetésével a nyomás. 500 Pa-ra nő. A propán adagolásával a nyomást úgy állítják be, hogy a magas cementálási hőmérsékleten a darabok felülete karbonnal túltelítődjék. A cementálást diffúziós izzítás követi, amelyben a nyomás 10-100Pa-ra való csökkentésével elérik az előírt felületi karbon tartalmat. A cementálást és a diffúziós izzítást többször megismétlik azzal a megjegyzéssel, hogy a telítés ideje (cementálás) egyre rövidebb, amíg a diffúziós izzítás ideje egyre hosszabb.

A cementálás és a felület közeli C tartalom csökkenését eredményező diffúziós izzítás váltogatása az egész folyamat alatt egy intenzív kéregnövekedést biztosít, ami mint tudjuk a hagyományos gázcementálás esetén a folyamat előrehaladtával csökken. Így a cementálási és diffúziós szakaszok többszöri ismétlésével az igen rövid 2-3 óra kezelési idő alatt 0,3-0,9 mm kéregvastagság érhető el. További előnye a vakuum cementálásnak a belső oxidáció elkerülése, az igen kis szénhidrogén igény.

Cementálást követő hőkezelések

A cementálást követő edzésnél további gond, hogy a kéreg 0,7-0,9 % C tartalmú, míg a mag kisebb 0,2 %C és így edzési hőmérsékletük eltérő.

A betétedzés céljaként megfogalmazott kemény, kopásálló, fárasztó igénybevételnek ellenálló kéreggel és szívós maggal rendelkező darabot csak akkor tudjuk teljesíteni, ha a darabot további hőkezeléseknek vetjük alá. Ezek az edzés és a megeresztés.

A cementálást követően a darab kérge és magja különböző C tartalmú, ami különböző edzési hőmérsékletet igényel.

18. ábra. A cementált darab kéreg és magszövete

a) kéreg 0,7-0,9 % C tartalmú, (perlit)
b) mag kisebb 0,2 %C (ferrit + perlit)

Korábban alkalmazták a kettős edzést, amikor külön történik a "mag edzése" majd ezt követi a kéreg edzése és a megeresztés. A többszöri felhevítés és gyors hűtés gazdaságtalan és jelentős méretváltozásokat okoz.

Cementálást követő hőkezelések
A cementálás hőmérsékletéről a darabot lehűtik 860-880 C°-ra. Mint tudjuk az ausztenit nem lesz finomabb, de a kisebb hőmérsékletről indított hűtés kevesebb elhúzódást eredményez.
  • Ha az acél szemcsedurvulásra nem hajlamos, az edzés a cementálást követően elvégezhető (direkt edzés).
  • Az edzés az acél összetételétől függően - ötvözetlen acélt vízben, ötvözöttet olajban vagy emulzióban -  történik.
  • Az edzést 170-180 C°-os megeresztés követi

A vakuum cementálás esetében a darabokat a cementálás hőmérsékletéről a vetemedés csökkentése miatt edzési hőmérsékletre kb. 860 C°-ra visszahűtés után nagynyomású (max. 20 bar) áramló vízzel hűtött nitrogén gázzal hűtik. A nagynyomású, az edző kamrába több helyen egyenletesen bevezetett és folyamatosan áramoltatott nitrogén biztosítja a martenzites szövetszerkezet kialakulásához szükséges felső kritikus lehűlési sebességnél gyorsabb hűtést, azaz a darabok edzését, azok jelentősebb méretváltozása, torzulása nélkül.

Az edzést kishőmérsékletű 160 C°-on 1 órás megeresztés követi.

Példák a betétedzés alkalmazására
19. ábra. Bolygókerék1/4
visszaelőre
23. ábra. Betétedzett tányérkerék

Az ábrán látható az ötvözött acélból készült tányérkerék egy darabja. (A sötét színű rész a kéreg). A tányérkerekek edzése edzőprésben történik, annak érdekében, hogy a méretváltozás (vetemedés) minimális legyen.
Az ábrán feltüntettük a keménység eloszlását a kéreg és a magszövetet is.

Felületi kezelések. Gőzfázisú bevonatképző eljárások

A szerszámok vagy az alkatrészek felületén kemény, kopásálló réteg létrehozására alkalmas eljárás a:

  • kémiai gőzfázisú bevonatolás CVD
  • fizikai gőzfázisú bevonatolás PVD
Kémiai gőzfázisú bevonatolás CVD
  • Keményfémlapkák és kerámiák felületi kezelésére
  • 900-1000 C°-on
  • 3-10 μ m vastag,
  • keménysége 2500 HV körüli
  • gyémántbevonat is készíthető
Az aranyszínű TiN a szürke TiC.

A CVD eljárást keményfémlapkák és kerámiák felületi kezelésére dolgozták ki.

24. ábra. CVD eljárás

Az eljárás során a reakciótérbe elgőzölögtetett titánkloridot (TiCl4) vezetünk hidrogénnel dúsított atmoszférában. Metán (CH4) hozzávezetésével 900-1000 C°on vákuumban titánkarbid (TiC) és sósav (HCl) keletkezik. A TiC kicsapódik a kamrában elhelyezett tárgyakon, azok felületén 3-10 μ m vastag, ellenálló réteget képezve. A réteg keménysége 2500 HV körüli. A HCl-t a retortából kiszivattyúzzák és semlegesítik. Az eljárás alkalmas karbid, nitrid, borid, oxid, szilicid bevonatok készítésére is. Ezzel az eljárással gyémántbevonat is készíthet.

Fizikai gőzfázisú bevonatolás PVD eljárás

A PVD eljárás során a bevonat nem nagy hőmérsékleten vegyi reakció, hanem alacsony 150-550 C°-on fizikai elvek alapján keletkezik. A leggyakrabban nitrogéndús környezetben titánt gőzölögtetünk (porlasztunk), amely a nitrogénnel TiN-t képez, amely az alacsony nyomású térben elhelyezett tárgyak felületén kicsapódik, jellegzetes aranysárga bevonatot képezve.
A TiN keménysége 2000-2500 HV, kopásálló.

Mivel a kezelési hőmérséklet alacsony a módszer alkalmas szerkezeti és szerszámacélok bevonásra is. Az acélok kezelése készre munkált állapotban történik. A módszer hátránya, hogy a bevonat tapadása gyenge. Jobb tapadás érhető el, ha a bevonat anyagát  ionizálják, ami azután elektromos erőtér hatására nagy sebességgel csapódik a kezelendő anyag felületébe és annak kristályrácsába is beépül. Ha a kemencében olyan gázatmoszféra van, amely az elgőzölögtetett anyaggal képes vegyületet alkotni, úgy a technológiai paraméterekkel beállításával elérhető, hogy vegyületi réteg alakuljon ki. Hasonló eljárással nagy keménységű Al2O3 bevonat is képezhető.

25. ábra. Bevonatos lapkák
26. ábra. Forgácsolás bevonatos lapkával
Ellenőrző kérdések

Jelölje meg az egy helyes választ!

1. Mi a felületi hőkezelések célja?
A keménység növelése a teljes keresztmetszetben.
Kemény, kopásálló kéreg, szívós meg.
Kemény kopásálló mag, szívós kéreg.
Az előírt szövetszerkezet biztosítása a felületen.
2. Mi a felületi hőkezelések lényege az edzhetőség feltételei alapján?
A hűtés a kéregben legyen gyorsabb, mint a felső kritikus.
Az edzhetőség feltételei a kéregben teljesülnek.
Az edzhetőség feltételei a magban teljesülnek.
Csak a felületet kell ausztenitesíteni, így csak ott lesz martenzit.
3. Mi felületi edzések lényege?
A C >0,2 % darabot nagy felületi teljesítménnyel,  gyorsan hevíteni és lassan hűteni, majd megereszteni.
A C >0,2 % darabot nagy felületi teljesítménnyel,  gyorsan hevíteni és gyorsan hűteni, majd megereszteni.
A C < 0,2 % darabot nagy felületi teljesítménnyel,  gyorsan hevíteni és lassan hűteni, majd megereszteni.
A C < 0,2 % darabot nagy felületi teljesítménnyel,  gyorsan hevíteni és gyorsan hűteni, majd megereszteni.
4. Mi jellemzi a lángedzést?
Egyszerű, olcsó, a kéregvastagság pontosan beállítható.
Egyszerű, olcsó, kis darabszám esetén is gazdaságos.
A kéregvastagság nem szabályozható pontosan, csak nagy darabszám esetén gazdaságos.
Bármilyen bonyolult felület kezelhető, a kéreg pontosan beállítható.
5. Mi jellemzi az indukciós edzést?
A kéregvastagság nem szabályozható pontosan, csak nagy darabszám esetén gazdaságos.
Csak egyszerű felület kezelhető, a kéreg pontosan beállítható.
Gyors, revementes, pontosan szabályozható.
Bármilyen acél kezelhető, nagy a beruházási költség.
6. Hogyan befolyásolják a kéregvastagságot indukciós edzésnél?
A frekvencia növelése a kéregvastagságot csökkenti.
A frekvencia csökkentése a kéregvastagságot csökkenti.
A frekvenciával egyenesen arányos a kéregvastagság.
A kéregvastagság növelhető a frekvencia és a hőntartási idő növelésével.
7. Miben tér el az elektronsugaras edzés a felületi edzésektől?
Gyorsabb.
Nem igényel külön hűtőközeget.
Bármilyen fém kezelhető.
Vákuumban történik a kezelés ezért a darab nem revésedik.
8. Mi a lényege az öntöttvas vezérműtengelyek átolvasztásának?
A korlátozott térfogatban felolvasztott anyag lassan hűl, karbidosan kristályosodik, kemény lesz.
A korlátozott térfogatban felolvasztott anyag gyorsan hűl, karbidosan kristályosodik, kemény, kopásálló lesz.
A korlátozott térfogatban felolvasztott anyag lassan hűl, grafitosan kristályosodik, kopásálló lesz.
Mivel az anyagot korlátozott térfogatban olvasztják meg olcsóbb, mint a felületi edzés.
9. Milyen hőkezeléssel kezelik a nitridálás előtt a darabokat?
Edzéssel.
Nemesítéssel.
Lágyítással.
Normalizálással.
10. Milyen hőmérsékleten történik a cementálás és milyen elemet viszünk be a darabba?
500-600 C°, nitrogént
500-600 C°, karbont
950-970 C°, nitrogént
950-970 C°, karbont
11. Milyen hőkezelést kell végezni a cementálás után?
Edzés és nagyhőmérsékletű megeresztés.
Edzés és kis hőmérsékletű megeresztés.
Lágyítás.
Normalizálás.
12. Milyen anyagok bevonatolására használják elsősorban a CVD módszert és miért?
Keményfém lapkák, kerámiák, mert a hőmérséklet 500 C° alatt van.
Keményfém lapkák, kerámiák, mert a hőmérséklet 900-1000 C°.
Szerszámacélok , mert a hőmérséklet 500 C° alatt van.
Szerszámacélok, mert a hőmérséklet 1000 C° alatt van.