KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés
19. lecke: Felületi hőkezelések
| |||||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | |||||||
| |||||||
![]() | 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: | |||||||
| |||||||
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 | |||||||
| |||||||
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. |
| ||||||
A darab felületét nagyteljesítményű gézégőkkel hevítjük, majd vízzel hűtjük. | |||||||
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. | |||||||
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). |
| ||||||
| |||||||
Az indukciós edzés jellemzői | |||||||
| |||||||
Fogaskerekek indukciós edzése | |||||||
| |||||||
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. | ||||||
| |||||||
| |||||||
![]() | ![]() A fogoldaledzés módszerével a fogaskerekek fogait egyenként előtolással eddzük. Ez a módszer nagy igénybevételű fogaskerekek kérgesítésére alkalmas elsősorban. | ||||||
| |||||||
![]() | ![]() 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. |
| ||||||
![]() | ![]() 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. | |||||||
| |||||||
![]() | ![]() 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. | ||||||
| |||||||
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: | |||||||
| |||||||
| |||||||
| |||||||
![]() | ![]() 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: | |||||||
| |||||||
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. |
| ||||||
![]() | ![]() 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 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. | |||||||
| |||||||
| |||||||
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 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 | |||||||
| |||||||
Ilyen ötvözők a Cr, az Al a Mo és a V | |||||||
Nitridált kéreg | |||||||
A nitridált kéreg szerkezete | |||||||
| |||||||
| |||||||
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 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. | |||||||
| |||||||
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 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 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. |
| ||||||
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. | |||||||
| |||||||
a) kéreg 0,7-0,9 % C tartalmú, (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. |
| ||||||
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. | |||||||
| |||||||
| |||||||
![]() | ![]() 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. | ||||||
Felületi kezelések. Gőzfázisú bevonatképző eljárások | |||||||
A szerszámok vagy az alkatrészek felületén kemény, kopásálló réteg létrehozására alkalmas eljárás a: | |||||||
| |||||||
Kémiai gőzfázisú bevonatolás CVD | |||||||
| |||||||
Az aranyszínű TiN a szürke TiC. | A CVD eljárást keményfémlapkák és kerámiák felületi kezelésére dolgozták ki. | ||||||
| |||||||
![]() | ![]() 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 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. | |||||||
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. | |||||||
| |||||||
|
Ellenőrző kérdések | |||||||||
Jelölje meg az egy helyes választ! | |||||||||
1. Mi a felületi hőkezelések célja?
![]() | |||||||||
2. Mi a felületi hőkezelések lényege az edzhetőség feltételei alapján?
![]() | |||||||||
3. Mi felületi edzések lényege?
![]() | |||||||||
4. Mi jellemzi a lángedzést?
![]() | |||||||||
5. Mi jellemzi az indukciós edzést?
![]() | |||||||||
6. Hogyan befolyásolják a kéregvastagságot indukciós edzésnél?
![]() | |||||||||
7. Miben tér el az elektronsugaras edzés a felületi edzésektől?
![]() | |||||||||
8. Mi a lényege az öntöttvas vezérműtengelyek átolvasztásának?
![]() | |||||||||
9. Milyen hőkezeléssel kezelik a nitridálás előtt a darabokat?
![]() | |||||||||
10. Milyen hőmérsékleten történik a cementálás és milyen elemet viszünk be a darabba?
![]() | |||||||||
11. Milyen hőkezelést kell végezni a cementálás után?
![]() | |||||||||
12. Milyen anyagok bevonatolására használják elsősorban a CVD módszert és miért?
![]() |