KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés
17. lecke: A szerkezeti anyagok tulajdonságainak megváltoztatási lehetőségei. Hőkezelés
| ||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | ||||
| ||||
![]() | A szerkezeti anyagok tulajdonságainak megváltoztatási lehetőségei | |||
A fémek tulajdonságainak megváltoztatási lehetőségei | ||||
A fémek tulajdonságait az összetételük, a szerkezetük és a feszültség állapotuk határozza meg. Igen sok esetben szükség van a tulajdonságok megváltoztatására annak érdekében, hogy a felhasználási célnak leginkább megfelelő tulajdonsággal rendelkező szerkezeti anyagot nyerjük. | ||||
A tulajdonság megváltoztatás célja lehet | ||||
| ||||
A tulajdonság változtatási eljárások között kiemelt jelentősége van a szilárdság, illetve az azzal összefüggő terhelhetőség növelésének. | ||||
A fémek esetében a szilárdság növelése lehetséges módszerek az: | ||||
| ||||
![]() | Ötvözés | |||
A szerkezeti anyagok szilárdságnövelésének a leggyakrabban alkalmazott módszere az ötvözés. Az ötvözéshez hasonló módszerek a polimerek, kerámiák gyártásánál is megtalálhatók. | ||||
Az ötvöző elemek a fémekben: | ||||
| ||||
de minden esetben növelik a szilárdságot. | ||||
![]() | A hidegalakítás hatása | |||
Ha egy fémet a folyáshatárnál nagyobb feszültséggel terheljük, maradó alakváltozást szenved. A maradó alakváltozás eredményeként, megváltozik a fém állapota azaz felkeményedik. | ||||
A felkeményedés a különböző fémeknél különböző, de minden fém esetében létezik, és lehetőség a szilárdság növelésére. |
| |||
| ||||
![]() | ![]() Az 1. és 2. ábrákon látható, hogy a hidegalakítás mértékének növelésére a szilárdsági jellemzők növekednek. Az ábrákon az is látható, hogy az alakítás hatása erőteljesebben növeli a folyáshatárt, mint a szakítószilárdságot. Ezt már az 1. modul 2. leckéjében a hidegen alakított anyagok szakítódiagramjánál említettük. | |||
![]() | Hőkezelés | |||
A hőkezelés egy tervszerűen megválasztott hőmérsékletváltoztatási folyamat, mely felhevítésből, hőntartásból és lehűtésből áll, és célja a munkadarab szövetszerkezetének illetve feszültségállapotának tudatos megváltoztatása, az előírt tulajdonságok elérése céljából. | ||||
Hőkezelés közben a szerkezeti anyag szilárd halmazállapotú, részlegesen sem olvad meg, tehát a hőkezelést csak a szolidusznál kisebb hőmérsékleten végezzük! | ||||
| ||||
A hőmérsékletkülönbségek okával és hatásával később foglalkozunk. | ![]() | ![]() Az ábra a kemence illetve a kemencébe helyezett darab hőmérsékletének változását mutatja az idő függvényében. Az első szakaszban (felhevítés) a darab berakásakor a kemence hőmérséklete csökken. A darab felülete és magja nem egyforma sebességgel hevül, hőmérséklet különbségek alakulnak ki. A második szakasz a hőntartás, majd a darab lehűtése következik, amikor ismét különbség van a felület és a mag között. | ||
A hőkezelés alapja lehet: | ||||
Az ausztenit egyensúlyitól eltérő átalakulásai, a perlit, a bainit és a martenzit nagyon különböző anyagtulajdonságokat eredményezhetnek. |
| |||
A legtöbb szilárd oldat oldóképessége csökken a hőmérséklettel. Az oldhatatlan fázis kiválása diffúzióval lehetséges. Ha azonban gyorsan hűtöm a darabot nincs lehetőség a diffúzióra és egy túltelített, feszültségekkel terhelt anyagot kapok. Gyakran alacsony hőmérsékleten, nagyon finom formában kiválik a másodlagos fázis és ez kedvező tulajdonságokat biztosít. Ezt az alumíniumötvözetek hőkezelésénél fogjuk tárgyalni. |
| |||
Lehetséges a többféle mechanizmus együttes alkalmazása. Gyakran még a hidegalakítás hatása is felhasználható. |
| |||
A hőkezelés során lejátszódó folyamatok | ||||
A hőkezelési folyamatok során a darab és a környezet között hőcsere van. A hőátadási együttható a tárgy és a környezet között az az időegység alatt felületegységenként kilépő hőmennyiség, amely a felületre merőlegesen belép a darabba vagy kilép a darabból. A hőcsere megvalósulhat: | ||||
| ||||
Az időegységenként átadódó hőmennyiség függ a darab és a környezet hőmérséklet különbségétől. Mivel ez a különbség idővel egyre kisebb a felmelegedés vagy a lehűlés sebessége exponenciális görbe szerint változik. | ||||
A hővezetés szilárd testekre jellemző, a hőcsere a szomszédos nyugalomban lévő részecskék között megy végbe. Függ a darab anyagának hővezető képességétől. A hővezetőképesség a színfémek esetében a legnagyobb. Az ötvözők a hővezetőképességét csökkentik. Természetesen befolyásolja az anyag állapota is és nem utolsó sorban a hőmérséklet. | ||||
A hőáramlás során a gáz vagy cseppfolyós részecskék áramlása útján jön létre a hőcsere. Az áramlás lehet szabad vagy kényszeráramlás. A kényszeráramlás esetén jóval nagyobb a hőátadás. | ||||
A hősugárzás olyan hőátadás ahol a darab valamely test által kisugárzott energiát nyeli el. Mivel a folyamat energia hordozó nélkül megy végbe a hő ezen a módon vákuumban is terjed. A hőkezelő berendezésben (kemencében) a darabok elsősorban hőáramlás és sugárzás útján melegszenek fel. | ||||
A munkadarabok hevítése | ||||
| ||||
![]() | ![]() A felhevítés során a darab felületének és belsejének hőmérséklete eltérő. Ez a különbség belső feszültségekhez, kialakulásához vezethet. A túl gyors hevítés hatására kialakuló feszültségek a nagyobb hőmérsékleten kisebb szilárdságú anyag repedését okozhatják. | |||
![]() | ![]() Az elhúzódások, repedések kialakulásának elkerülésére szakaszos felhevítést alkalmaznak. | |||
![]() | ![]() A lépcsőkön megvárják amíg a felület és a mag hőmérsékletkülönbsége kiegyenlítődik. A lépcsők száma és hőmérséklete az anyagminőségtől és a darab méretétől függ. | |||
A felület és a mag közötti hőmérséklet különbséget befolyásoló tényezők: | ||||
| ||||
A munkadarabok hőntartása | ||||
A hőkezelési műveletek során a kemence atmoszféra és a darab között vegyi folyamatok is lejátszódnak. |
| |||
Az oxidáció a hőmérséklet növelésével rohamosan gyorsul A felületen 200-300 C° fölött vékony különböző színű oxidhártya képződik(futtatási színek), de 600 C° fölött már vastagabb rideg, oxidhártya keletkezik (reveréteg). A reveréteg kialakulásban fontos szerepe van az időnek is. | ||||
A dekarbonizáció, elszéntelenedés 700 C° fölött következhet be. A darab felületéből a C a környezetbe vándorol. A dekarbonizáció lehet részleges vagy teljes. Következménye, hogy a darab felületén a C tartalom lecsökken és nem edződik megfelelő keménységűre, továbbá a kisebb szilárdságú, húzófeszültséggel terhelt rétegben nő a köszörülési repedések megjelenésének lehetősége. Különösen veszélyes ez a nagy C tartalmú szerszámacélok esetében, ahol a kis C tartalmú dekarbonizálódott réteg nem edzhető megfelelő keménységűre. | ||||
A tudatos összetétel változtatás a felületi hőkezeléseknél fordul elő, ott tárgyaljuk részletesen. | ||||
A munkadarabok lehűtése | ||||
A lehűtés az izzítási hőmérsékletről szobahőmérsékletre szabályozottan történik. A lehűtés sebességét az elérni kívánt szövetszerkezeti változás határozza meg. | ||||
A lehűtési sebesség főbb formái: | ||||
A lehűlés sebessége elsősorban a hűtőközeg hővezető képességétől függ. Legkisebb a levegő utána az olaj, sóolvadékok, vizes emulziók és a víz hűtőképessége. A hűtés intenzitása a közeg mozgatásával, áramoltatásával fokozható. A hűlési viszonyokat természetesen befolyásolja a közeg hőmérséklete, a munkadarab anyaga, alakja, felület-térfogat aránya stb. Gázok pl. nitrogén esetében lényeges a nyomás is. A nyomás növelésével a hűtés intenzitása fokozható. |
| |||
Hűtőközegek: | ||||
| ||||
A hűtési sebesség hatása a munkadarab hőmérséklet eloszlására: | ||||
| ||||
Fontos megjegyezni, hogy a hőkezelési méterváltozások, vetemedés függ az alakítás irányától, a kovácsolással kialakított szálelrendeződéstől továbbá, hogy a darab anyagának szilárdsága a kezelési hőmérsékleteken kicsi, ezért a nem megfelelően "alátámasztott" darabok a saját súlyuk hatására is vetemedhetnek. Tengelyek függesztve pl.! | ||||
A hőkezelési méretváltozások egyengetéssel vagy a hőkezelést követő megmunkálással megszüntethetők, tehát javítható hibák, de a tömegtermelésben jelentős többletköltséget okoznak. | ||||
Ha a keletkező feszültségek meghaladják az anyag szilárdságát repedések, tehát nem javítható hibák keletkeznek. A repedés lehet a túl gyors felhevítés (a darab felülete és a hideg mag közötti méretkülönbség a magban húzó a kéregben nyomó feszültséget okoz) hatására kialakuló magrepedés, vagy a darab felületén gyors hűtés hatására (a felületen húzófeszültség keletkezik) kialakuló hűtési elsősorban edzési repedés. | ||||
A repedések kialakulásának lehetősége a nagyobb C tartalmú, ötvözött, tagolt daraboknál nagyobb. A gyakorlatban ezért hevítéskor az optimális hevítési sebességet, vagy lépcsőzetes felhevítést, hűtéskor pedig az adott cél elérését biztosító legenyhébb hűtőközeget alkalmazzuk! | ||||
A hőkezelések csoportosítása | ||||
A hőkezelő eljárásokra legáltalánosabban elfogadott az, hogy az előírt szövetszerkezetet, és ezzel az előírt tulajdonságokat a darab mely részén kívánjuk kialakítani. Így megkülönböztetünk: | ||||
|
Ellenőrző kérdések | |||||||||||||||
Jelölje meg az egy helyes választ! | |||||||||||||||
1. Hogyan befolyásolja az ötvözés a fémek szilárdságát?
![]() | |||||||||||||||
2. Milyen hatása van a hidegalakításnak?
![]() | |||||||||||||||
3. Mitől függ a felhevítés során a munkadarab felületének és a magjának a hőmérséklet különbsége?
![]() | |||||||||||||||
4. A megadott szavakkal egészítse ki a definíciót! A hőkezelés egy megválasztott folyamat, amely , és áll, és célja a munkadarab tudatos megváltoztatása az előírt elérése céljából. ![]() | |||||||||||||||
Vizsgálja meg a feltüntetett állításokat. Jelölje be , hogy igaz vagy hamis!
![]() |