KURZUS: Mérnöki anyagismeret

MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés

17. lecke: A szerkezeti anyagok tulajdonságainak megváltoztatási lehetőségei. Hőkezelés

  • Mitől függ a szerkezeti anyagok tulajdonsága
  • Milyen lehetőségek vannak a szilárdság növelésére
  • Hogyan befolyásolja a hidegalakítás a fémek szilárdsági tulajdonságait
  • A hőkezelés elvi idő - hőmérséklet diagramja
  • A hőkezelések fémtani alapja
  • Felhevítés, a felhevítés közben a munkadarab és a kemence atmoszféra kölcsönhatása
  • A hőntartás célja
  • Lehűtés, hűtőközegek

A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:

  • jellemezni az ötvözés és hidegalakítás hatásait
  • definiálni a hőkezelés fogalmát
  • jellemezni a hőkezelés folyamatát és annak hatásait
  • kiválasztani a hőkezelést jellemző helyes állításokat
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 mechanikai tulajdonságok megváltoztatása
  • fizikai tulajdonságok megváltoztatása stb.

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
  • hidegalakítás (felkeményedés)
  • hőkezelés
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:

  • szilárd oldatot,
  • vegyületet képezhetnek
  • két- és többfázisú szövetelemeket (eutektikum, eutektoid)

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.
1. ábra. Különböző C tartalmú acélok szakítószilárdságának (Rm) és folyáshatárának (ReH) változása az alakítás mértékének függvényében
2. ábra. Különböző alumínium ötvözetek szakítószilárdságának (Rm) és folyáshatárának (Rp0,2) változása az alakítás mértékének függvényében

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!

3. ábra. A hőkezelés hőmérséklet-idő diagramja
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.
  • az allotróp átalakulások befolyásolása, az eutektoidos folyamat egyensúlyitól való eltérítése (vasötvözetek)
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.
  • a szilárd állapotban végbemenő oldódás és kiválás befolyásolása
Lehetséges a többféle mechanizmus együttes alkalmazása. Gyakran még a hidegalakítás hatása is felhasználható.
  • a diffúzió, a szilárd állapotban bekövetkező oldódás , ötvözés tudatos kihasználása
  • feszültségmentesítés
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:

  • hővezetéssel,
  • hőáramlással,
  • hősugárzással.

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
4. ábra. A munkadarab hőmérsékletének változása a felhevítés és a lehűtés során

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 munkadarab és a kemence közötti hőmérséklet különbség
  • A hevítés sebessége
  • A munkadarab hővezető képessége
  • A munkadarab mérete
  • A hőátadás módja
A munkadarabok hőntartása
A hőkezelési műveletek során a kemence atmoszféra és a darab között vegyi folyamatok is lejátszódnak.
  • A hőntartás célja:
    • A hőmérséklet különbségek kiegyenlítése
    • A fémtani folyamatok lejátszódása (pl. ausztenitesedés)
  • A kemencében lejátszódó folyamatok:
    • Oxidáció
    • Dekarbonizáció
    • Tudatos összetétel változtatás

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.
  • Gyors hűtés (edző, rögzítő hatású)
  • Normál hűtés (rendszerint levegőn)
  • Lassú hűtés (lágyító hatású)

Hűtőközegek:

  • Kemence (szabályozott, lassú hűlés)
  • Levegő (természetes hűlés)
  • Olaj (közepesen gyors hűtés)
  • Sóolvadékok, vizes emulziók, víz (gyors hűtés)

A hűtési sebesség hatása a munkadarab hőmérséklet eloszlására:

  • Minél gyorsabb a hűtés, annál nagyobbak a hőmérséklet különbségek a felület és a mag között.
  • A hőkezelési folyamatban a lehűlés során is eltérő sebességgel hűl a munkadarab felülete és magja. Ez az eltérés függ a lehűtés módjától, elsősorban a hűtőközegtől, a darab anyagától, méretétől, és hőkezelési hibák (feszültség, elhúzódás, repedés) kialakulásához vezethet.

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:

  • Teljes keresztmetszetre kiterjedő és
  • Felületi hőkezeléseket
Ellenőrző kérdések

Jelölje meg az egy helyes választ!

1. Hogyan befolyásolja az ötvözés a fémek szilárdságát?
Minden esetben növeli.
Az ötvözőelemtől függően gyakran csökkenti.
Az ötvözőelemtől függ, a legtöbb esetben növeli.
Az ötvözés nem befolyásolja a szilárdságot.
2. Milyen hatása van a hidegalakításnak?
A szilárdság és az alakváltozóképesség nő.
A szilárdság és az alakváltozóképesség csökken.
A szilárdság csökken az alakváltozóképesség nő.
A szilárdság nő az alakváltozóképesség csökken.
3. Mitől függ a felhevítés során a munkadarab felületének és a magjának a hőmérséklet különbsége?
A munkadarab alakjától, a kemence és a darab hőmérsékletkülönbségétől, az előzetes hőkezeléstől.
Az ötvözöttség mértékétől, a darab méretétől, a kemence alakjától.
A kemence méretétől, a darab hővezető képességétől, az előzetes hőkezeléstől.
A munkadarab és a kemence hőmérsékletkülönbségétől, a darab méretétől, az ötvözöttség mértékétől.
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.

1. felhevítés
2. tulajdonságok
3. lehűtés
4. tervszerűen
5. hőmérsékletváltoztatás
6. hőntartás
7. feszültségi állapot
8. szövetszerkezet
9. halmazállapot
10. alakíthatóság
11. szilárdság

Vizsgálja meg a feltüntetett állításokat. Jelölje be , hogy igaz vagy hamis!
Az ötvözőelemek csökkentik a fémek hővezetőképességét, ezért növelik a felhevítés sebességét.
A nagyobb méretű, ötvözött darabokat szakaszosan kell felhevíteni.
A dekarbonizáció az acélok felületi karbontartalmának csökkenése, amely a kemencében lejátszódó redukciós folyamatok következménye.
Minél lassabb a hűtés annál nagyobb a hőmérsékletkülönbség a felület és a mag között.
A víz, az olaj, mint hűtőközegek gyors, edzőhatású hűtést biztosítanak.
A kemencében való hűtés növeli a hűtési feszültségeket.
Minél gyorsabb a hűtés annál nagyobb a hőmérsékletkülönbség a felület és a mag között.