1. Hegesztési anyagismeret

Átírás

1 1. Hegesztési anyagismeret A fémes anyagok lehetnek tiszta fémek (színfémek) vagy ötvözetek. A főként vasat tartalmazó vasfémek 2,14% Ctartalomig acélok, 2,14...6,68% között öntöttvasak. Sűrűségük szerint vannak könnyűfémek (ρ < 4,5 g/cm 3 ) és nehézfémek (ρ > 4,5 g/cm 3 ). A fémek kémiai tulajdonságuk szerint lehetnek nemesfémek (pl. arany, ezüst, platina) vagy nem nemesfémek (pl. alumínium, vas). Olvadáspontjuk szerint lehetnek kis olvadáspontúak (t olv < 1 C, pl. ón, ólom, cink, alumínium, magnézium), közepes olvadáspontúak (1 C <t olv < 2 C, pl. réz, nikkel, mangán, vas, titán, króm) és nagy olvadáspontúak (t > 2 C, pl. molibdén, tantál, nióbium, volfrám) A fémek alaptulajdonságai A fémek alaptulajdonságait kémiai összetételük, alakítási és hőkezelési állapotuk határozza meg. A fémek mechanikai tulajdonságait meghatározó anyagjellemzőket a 6.1. táblázat tartalmazza. Az 1.1. táblázat a leggyakoribb fémek fizikai jellemzőit foglalja össze. A fémek szilárdságát a szakítószilárdság, a folyáshatár és a keménység; szívósságba a kontrakció, a nyúlás és az ütőmunka (törési munka) jellemzi. Ezek az értékek a hőmérséklet változásával változnak, ezért a melegszilárd, a hidrogénnyomásálló és a hőálló acéloknak a nagyobb hőmérsékleten mérhető anyagjellemzőit is meg kell adni, a hidegszívós acéloknak pedig a kis hőmérsékleten mért értékeit. Ismétlődő igénybevétel, termikus (hő) fáradás esetén a kifáradási határ adhat további felvilágosítást a fém tulajdonságáról. Fémek fizikai jellemzői 2 Con 1.1. táblázat A fém Kristályrács Jellemzők Sűrűség, ρ g/cm 3 Szakítószilárdság*, R m, MPa Kéménység*, HB Rugalmassági modulus E, 1 4 MPa Olvadáspont, t olv, C Hővezetési együttható, λ, W/(m C) Hőtágulási együttható, α, 1 6 1/ C Fajhő c p, kj/(kg C) Fajlagos ellenállás, ρ 1 3 Ω mm 2 /m Alumínium, A1 lkk 2, , ,9,899 28,6 Antimon, Sb rom lkk , ,6 8,1 63, ,8 14,3,21, Arany, Au hex 1, , ,3 1, Berillium, Be rom 9, , ,5, Bizmut, Bi hex 7, , 419, ,, Cink, Zn hex 6, , , Cirkónium, Zr hex hex 8,64 8, ,3 21, ,4 29,4 12,,23, Kadmium, Cd tkk 7, , ,5,46 14 Kobalt, Co hex 1, , ,,924 45

2 Króm, Cr lkk 7,45 2, ,,54 15 Magnézium, Mg Mangán, Mn tkk lkk tkk 1,2 8,9 8, ,6 22,5 12, , 13, 7,1,273,441, Molibdén, Mo lkk 11, , ,,13 27 Nikkel, Ni köb 7, , ,, Nióbium, Nb lkk lkk 21,37 8, ,3 12, , , 16,8,134, ,8 Ólom. Pb tkk 16, , ,5, Ón, Sn hex 4, , ,5 8.2,63 42 Platina, Pt tkk 6, , 19 31,4 8.3,54 75 Réz, Cu tkk 7, , ,5,42 75 Tantál, Ta lkk 19, , ,5, Titán, Ti Vanádium, V Vas, Fe Volfrám, W Hegesztéssel felrakott felületeknek a keménységükön kívül lényeges lehet a kopásállóságuk is. A technológiai vizsgálatok a fémek megmunkálhatóságára (önthetőség, forgácsolhatóság, alakíthatóság, hőkezelhetőség, hegeszthetőség stb.) utalhatnak. A fémek egyéb fizikai tulajdonságai jelentősen befolyásolják viselkedésüket felhevítéskor, ill. lehűléskor. A ρ sűrűségnek a kis saját tömegű szerkezetek kialakításában van jelentősége. Kis sűrűségű fém a lítium, a magnézium, az alumínium és a titán. A színfémek olvadáspontja egy meghatározott hőmérséklet, az ötvözeteké többnyire hőmérséklettartomány (kivéve az eutektikumot vagy a vegyületét). A kis olvadáspontú fémeket (ón, ólom, antimon, cink) gyakran használják forraszanyagként. Az alomfaiam olvadáspontja sem nagy (66 C), de oxidja csak nagy hőmérsékleten (253 Con) olvad. A vasnál (1538 C) kisebb olvadáspontú fém az arany, a mangán, a nikkeli a kobalt. Az erős karbidképző elemek (króm, vanádium, titán, tantál, molibdén, volfrám) olvadáspontja nagyobb a színvasénál. A fajhő megmutatja, hogy 1 kg tömegű test hőmérsékletének 1 való Ckal való növeléséhez mennyi hőre van szükség [Q=cm (t 2 t 1 )]. Kis fajhőjű fém az arany, a volfrám, a tantál, az ólom, az ón, a molibdén és a cirkon. A fémekre általában az állandó nyomásra vonatkozó c p fajhőt szokták megadni. Értéke ugrásszerűen változik az allotrop átalakuláskor, halmazállapot változáskor. A λ hővezetési együttható az a hőmennyiség, amely egységnyi hosszúságú anyag egységnyi keresztmetszetén időegység alatt 1 C hőmérsékletkülönbség hatására áthalad. A Φ hőáram Φ = Q/t = λa(t 2 t 1 )/l

3 ahol A a hőátadás irányára merőléges keresztmetszet; 1 a hosszúság; t 2 t 1, az l hosszúságra jutó hőmérsékletváltozás; λ hővezetési együttható. A hővezetési együttható függ a hőmérséklettől, maximuma K közelében van. Igen nagy a hővezetési együtthatója az ezüstnek, a réznek, az aranynak és az alumíniumnak. Az a hőtágulási együtthaló lehet lineáris vagy térfogati. A fémek hőtágulási együtthatója l 6 nagyságrendű, és csak kis hőmérséklettartományban állandó. Allotrop átalakuláskor a fémek térfogata ugrásszerűen változik. Nagy hőtágulású fém a magnézium, az alomfaiam, a cink, az ón és az ólom. A karbidképző ötvözőknek kicsi a hőtágulásuk. A ρ fajlagos ellenαllαs 1 m hosszúságú, 1 mm 2 keresztmetszetű fém ellenállása. Az R elektromos ellenállás a fajlagos ellenállással kifejezve: R = ρl/a A G elektromos vezetés az elektromos ellenállás reciproka: G = 1/R A fajlagos vezetés a fajlagos ellenállás reciproka: γ = 1/ρ Jó elektromos vezető pl. a réz, az ezüst, az arany, szigetelő pl. a germánium. A fémek mágneses tulajdonságuk szerint lehetnek dia, para vagy ferromágnesek. A diamágnesek legnagyobb méretükkel a külső mágneses tér irányára merőlegesen igyekeznek elhelyezkedni (pl, a Cu, Au, Ag, Be, Zn, Pb, Bi, Hg). A mágneses szempontbál kiegyenlítetlen elektronokat tartalmazó atomokból felépülő anyagokat paramágneses anyagoknak hívjuk. Ezek a mágneses térben legnagyobb méretükkel a térerő irányával párhuzamosan igyekeznek elhelyezkedni (pl. a Na, K, Mg, Cn, Al, Sn, Pt). A ferromágneses anyagok (Ne, Co, Ni) mágnesessége csak szilárd állapotban tapasztalható, hevítés hatására az anyagra jellemző ún. Curiehőmérsékleten (a vas 77 Con) paramágnesekké alakulnak, A fémek kémiai tulajdonságai közút a korróziós viselkedésüket kell kiemelni. A korrózióállóság a hegesztett kötés egész szerkezetre kifejtett hatására vonatkozó hegeszthetőségi követelmény. A leggyakoribb korróziós jelenségeket a 7.1. ábra foglalja össze. Felületi korrózió esetén a felület többékevésbé egyenletesen károsodik, vékonyodik. Korrózióállónak tekinthető a fém, ha a korrózió sebessége kisebb, mint,1 g/(m 2 h). A korróziót kiválthatja kémiai folyamat vagy pedig elektrokémiai hatás. Az 1.2. táblázat a fontosabb fémek elektrokémiai potenciálját foglalja össze. A lyuk (pont) korrózió helyi korróziós károsodás, pl. saválló acélokon a passziválóréteget klór, bróm vagy jódionok támadják meg. A réskorrózió akkor alakul ki, ha a fémes anyag hézaggal csatlakozik más fémhez vagy nemfémes anyaghoz, és a résbe elektrolit oldat kerül. Az érintkezési (kontakt) korrózió olyan kémiai korróziós jelenség, amikor két különböző összetételű fém vagy ötvözet érintkezési helyén elektrolit közeg hat és a negatívabb elektrokémiai potenciájú felület anóddá válva oldódik, bemaródik. A szemcsehatár menti (szemcseközi vagy interkrisztallin) korrózió akkor lép fel, ha a szemcsehatárokon korrózióra érzékeny fázis válik ki, vagy a szemcsehatár aktívabbá válik a szemcsék belsejénél. A feszültségkorrózió akkor keletkezik, ha a vizsgált anyag feszültségi korrózióra hajlamos, a felületet húzó igénybevétel terheli és jelen van feszültségkorróziót kiváltó közeg (pl. nitrát oldat, NaOH, KOH, H 2 S, halogéneket tartalmazó oldat).

4 1.1. ábra. A korrózió főbb típusai a) felületi korrózió; b) lyuk (pont) korrózió; c) réskorrózió; d) érintkezési (kontakt) korrózió; e)szemcsehatár menti korrózió; f) feszültségkorrózió; P passziválóréteg; K 1 a passziválóréteg helyi sérülése; K 2 a résből kiinduló korrózió; K 3 szelektív korrózió a krómban szegény szemcsehatár menti területeken; SZ felületi szennyeződés, lerakódás, tömítés, szerkezeti rés stb.; C szemcsehatáron kiváló karbidok Fémek elektrokémiai potenciálja 1.2. táblázat Elektropozitív jelleg növekedése Fém Kálium Vegyjel Normál Elektronegatív potenciál jelleg növekedése K 2,92 Kalcium Ca 2,8 Magnézium Mg 2,38 Alumínium A1 1,66 ^ Mangán Mn 1,5 növekszik Cink Zn,76 csökken Vas Fe,44 ˇ Kadmium Cd,4 Kobalt Co,283 Nikkel Ni,236 Ón Sn,316 Ólom Pb,216 Hidrogén H 2 ±,

5 Réz Higany Platina Arany Cu Hg Pt Au +,345 +,799 +1,2 +1, A fémek szerkezete és kristályosodása Szilárd állapotban minden fém kristályos szerkezetű, ami azt jelenti, hogy a fémekben az atomok meghatározott geometriai rendben helyezkednek el. A legjelentősebb a köbös és a hexagonális kristályrács, az acélok esetében fontos még a rombos (cementit) és a tetragonális (martenzit) ábra. A kristályrács hibái Az egykristály (kisméretű, tökéletes rácsú kristály = whisker) alakja követi az illető fémre jellemző rácstípust, tulajdonságai a különböző kristálytani irányokban nem azonosak, az egy kristály tehát anizotrop. A sokkristályos (polikrisztalin) fémek nem tökéletesek, azokban rácshibák találhatók (1.2. ábra). A fémek könnyű alakíthatósága az egyméretű rácshibákra, a vonalhibákra vagy diszlokációkra vezethetők vissza. A felületi vagy felületszerű hibák egyik típusa a rétegződési hiba, másik típusa a szemcsehatár. A szemcsék méretének csökkentésekor a fém szilárdsága nő. Fémek kristályosodása. A fémek lehetnek egyfázisúak (pl. színfémek, szilárd oldatok, vegyületek) vagy többfázisúak. Négy halmazállapotuk van a hőmérséklettől és nyomástól függően: szilárd, cseppfolyós, gáz, plazma. Hegesztéskor elsősorban a meg ömlésnek és a dermedésnek van jelentősége. Megömléskor a fémeket alkotó atomok között ható kötőerő megszűnik, a fém megolvad. Dermedéskor kezdődik a folyékony fém kristályosodása, ezt primer kristályosodásnak hívjuk.

6 Elsődleges (primer) kristályosodás. A színfémek és az ötvözetek eltérő módon kristályosodnak. A színfémek kristályosodása egyetlen hőmérsékleten megy végbe az 1.3. ábra szerint: a hűtéskor kialakuló kristálycsírák szemcsékké (krisztallitokká) növekednek. A dermedés lehet szemcsés (poliéderes) vagy tűs (dendrites, a fenyőfa ágaihoz hasonló). Az előbbi egyenletes hűtéskor, az utóbbi pedig nem egyenletes (valamely irányban gyorsabb) hűtéskor jöhet létre ábra. Szabályos rendszerben kristályosodó színfém dermedése szemcsékké (poliéderekké) a) csírák keletkezése túlhűtéskor; b), c), d) kristálynövekedés szemcsékké (krisztallitokká); e) a színfém szemcsés szövetének mikroszkópos képe Kialakulhatnak finom vagy durva szemcsék. Finomszemcsés lesz a szerkezet pl. az ömledék gyors hűtésekor vagy csíraképzőkkel való beoltás esetén. Ha az ömledéket nagyon túlhevítjük, vagy a lehűlése lassú, akkor durvaszemcsés lesz a szerkezet. Az ötvözetek nem egyetlen hőmérsékleten, hanem adott hő mérséklettartományban dermednek. A dermedéshez a hőmérséklet csökkenése szükséges. Ha a túlhűtés kismértékű és nincsenek jelen szennyezők, akkor ún. cellaszerkezet jön létre, nagyobb túlhűtéskor, ill. ötvözőelemek vagy szennyezők jelenléte esetén tűs (dendrites) szerkezet alakul ki (köbös fémekre jellemző). A varrat kristályosodása. Hegesztéskor a munkadarabokat legtöbbször az olvadáspont fölé hevítjük, megömlesztjük és hozaganyag nélkül vagy hozaganyaggal kohéziós kapcsolatot létesítünk. A bevitt hő mennyisége és koncentráltsága a hegesztési hőforrás jellegétől, a hőközlés módjától és idejétől, a hegesztési eljárástól stb. függ. A bevitt hő Q = η UIt, ill. az időegység alatt bevitt hő q =η UI. Ha ismert a hőközlés (hegesztés) v sebessége, akkor az egységnyi varratszakaszba bevitt hő, a fajlagos hőbevitel: q /v = η UI/v Nagy fajlagos hőbevitelű eljárás a gázhegesztés, a bevont elektródás, kézi ívhegesztés, kisebb a védőgázas és a plazmahegesztés. Az elektron és lézersugárhegesztés kőbevitele rendkívül koncentrált. A képletben a bevitt hő és a hasznosított hő arányát az η hőhasznosítási tényező fejezi ki, értéke hegesztési eljárástól függően,5...,95. A bevitt hő egy része ugyanis hővezetéssel, hő sugárzással, fröcsköléssel stb. elvezetődik, és így a tényleges ömlesztésre kevesebb hő jut. Álló hőforrás körül kialakuló izotermákat szemléltet az 1.4. ábra, különböző fémekre. A réz és az alumínium jó hővezető, szemben a krómnikkel acéllal, így azonos körülmények között (lemezvastagság, kötéskialakítás, kőbevitel stb.) a réz és alumínium hűlése, dermedése sokkal gyorsabb. Hegesztéskor a hőforrás többnyire halad, így a varrat dermedését a hőforrás haladási iránya és sebessége szerint kell vizsgálni. Az 1.5. ábrán a hegfürdő kialakulása látható bevont elektródás kézi ívhegesztéskor. A hegfürdő folyékony állapotának ideje, az ún. létidő hegesztési eljárástól függően igen eltérő lehet, így értéke,2...3 s. A fémfürdő dermedését több tényező együttes hatása határozza meg. A dermedés az alapanyag hűtő hatása következtében az alapanyag irányában megy végbe. Ha a dermedés túl gyors, fennáll annak a veszélye, hogy a szennyező elemek, gázok, salak stb. az ömledékbe dermednek és zárványokat, porozitást idéznek elő. A túl lassú hűtés sem kedvező minden esetben, ilyenkor nagyobb a veszélye a durva szemcsék képződésének, és a fém szilárdsága is csökkenhet.

7 1.4. ábra. Álló hőforrás körül kialakult izotermák azonos hőbevitel esetén a) vas; b) krómnikkel acél; c) alumínium; d) réz 1.5. ábra. A hegfürdő kialakulása kézi ívhegesztéskor ABC olvadási front; CDA dermedési front; S h a hozaganyag területe; S a az alapanyag területe; b a varrat szélessége; h a varrat mélysége; c a varratdudor magassága; l a hegfürdő hosszúsága A bevitt hő nemcsak megömleszti az alap és a hozaganyagot, hanem felhevíti a varrat környezetét is. A hőhatásövezet a meg nem ömlött, hő által felhevített övezet, amelyben végbemenő átalakulások sokszor meghatározóbbak, mint a varrat szerkezete. Az 1.3. táblázat az átalakulás nélküli, az alakított és reaktív fémek hegesztésekor kialakuló viszonyokat hasonlítja össze. Kis Ctartalmú hipoeutektoidos acél hegesztésekor kialakuló hőhatásövezet látható az 1.6. ábrán.

8 1.6. ábra. Kis Ctartalmú acél hegesztésekor kialakuló hőhatásövezet 1.3. táblázat A hőhatásövezet szerkezete A szerkezet képe Alapanyag A szerkezetleírása Átalakulás nélküli fémek (pl. Ni, AI, Cu) A hőhatásövezet fokozatosan finomodó szemcsenagyságú fázisból áll. Szélességét a hegesztési jellemzők határozzák meg, ill. a hegesztési eljárás teljesítménysűrűsége, a hegesztési rétegek száma. Gondot okozhat, hogy hajlamos gázfelvételre (porozitás, elridegedés), továbbá a jó hővezetés és nagy hőtágulás elhúzódáshoz, vetemedéshez vezethet Alakítással keményített fémek(pl. hidegen húzott alumínium) Ha t > t rk, akkor az a terület újrakristályosodik, itt a szilárdság csökken, és csak a hegesztés utáni ismételt alakítással lehet visz szállítani az eredeti szilárdságot. A hőhatásövezet szélesebb mint előbb, a szilárdság csökkenését nagyobb teljesítménysűrűségű eljárás alkalmazásával lehet megakadályozni C hőmérséklettartományban az acélok szívóssága jelentősen csökkenhet a mesterséges öregedés miatt. A kritikus alakítási fokkal alakított fémekben t > t rk, hőmérsékleten jelentős szemcsedurvulás következik be

9 Nemesítéssel keményített ötvözetek (pl. Al, Cu, Mg) A szegregátumok oldása, ill. ismételt kiválása nem az optimális formában és eloszlásban megy végbe, ezért szilárdság ill. szívósságcsökkenés jelentkezhet. A kiválások tartományában ismételt öregítéssel lehet eredményt elérni. A szemcsehatár menti kiválások gyakran idéznek elő repedést. Kedvezőbb a hegesztést a fém oldóizzításos állapotában végezni. A kiválások csökkentik a fém korrózióállóságát is Igen reaktív fémek (pl. Ti, Ta, Zr, Mo) Nagy veszélyt jelent t >3 o C fölött az oxigén (ill. gázok) iránti nagy affinitása. A hegesztést célszerű vákuumban vagy a levegőtől való teljes gázvédelem (Ar, He) alatt végezni Ötvözetlen vagy gyengén ötvözött acél Gond a varrat alatt megjelenő durva, tűs martenzit, amely keménységnövekedést idéz elő. Ezért, ha C>,3%, szükséges lehet a fémet előmelegíteni. Ha az ötvözetlen acélban C<,3%, akkor ettől nem kell tartani H hőhatásövezet 1.3. A fémek termikus folyamatai A fémeket melegalakításkor, hőkezeléskor vagy hegesztéskor nagy hőmérsékletre hevítjük (ömlesztőhegesztéskor megömlesztjük), energiaközlés útján. A hőbevitel polimorf fémekben (pl. Fe, Ti, Co, Sn, Mn) rácsátalakulást idéz elő; ezt allotrop átalakulásnak nevezzük. A hőhatás az atomok mozgásenergiáját növeli és helyváltoztatásra készteti őket. A martenzites átalakulás kivételével valamennyi állapotváltozás a résztvevő atomok helyváltoztatásával jár együtt. A folyamat csak akkor mehet végbe, ha a rendszer szabad energiája csökken. A fémek hő okozta átalakulásában többféle termikus folyamat játszik fontos szerepet: a koncentrációkülönbség hatására létrejövő diffúziós folyamatok, a hidegen alakított fémekben végbemenő megújulás és újrakristályosodás, a fémek nagyobb hőmérsékleten végbemenő kúszási folyamatai. Diffúzió. A fémek felhevítésekor a fémeket alkotó atomok rezgőmozgási amplitúdója megnő, s az atomok elhagyva helyüket, az atomrács másik rácshelyére vándorolnak. Az atomok hő energia hatására bekövetkező helyváltoztatását diffúziónak nevezzük. Öndiffúzió akkor következik be, ha az atom az atomrács másik, üres rácshelyére vagy a rácsatomok közé vándorol. Az öndiffúzió a fémek egyik legfontosabb diffúziója. Az idegen atomok által előidézett diffúziót koncentrációkülönbség hozza létre (pl. a vasszén ötvözetekben a kis atomátmérőjű C atom mozgása). A diffúzió befejeződik, ha a koncentrációkülönbség megszűnik, vagy ha a hőmérséklet lecsökken. A kis atomátmérőjű elemeknek (C, H, N, O és B) a diffúziós sebessége nagyobb és a fém felületén, a szemcsehatár mentén, rácshibáknál gyorsabban megy végbe, mint a rács belsejében. A diffúziónak fontos szerepe van a termokémiai eljárások során, amikor egy munkadarab, alkatrész felületének tulajdonságát diffúzió útján kedvező irányban (pl. korrózióállóság, kopásállóság stb.) változtatjuk meg. A felületi tulajdonságokat javító eljárásokat az 1.4. táblázat foglalja össze. A hegesztéshez közel álló termikus szórás (1. a 2.3. alfejezet d) szakaszát) során nagy hő mérsékletű gázsugárral (lánggal, plazmával, ívvel) megömlesz tett fémporkeverék jut a munkadarab felületére.

10 1.4. táblázat Felülkeményítő eljárások Eljárás Alkalmazási hőmérséklet, C Elhúzódási veszély Keménység, HV A melegkeménység hőmérséklete, C Cementálás igen < 9 A megeresztési diagramtól függ Nitridálás nincs Nitridálási hőmérsékletig Rétegvastagság, mm A réteg tapadása,1...1 Igen jó,1...,3 Jó igen jó Boridálás igen ,1...,5 Jó Lángedzés edzési hőmérséklet igen (< 9) A megeresztési diagramtól függ Indukciós edzés > 12 nincs < 12 Nagyobb, mint a megeresztési diagram Felrakóhegesztés > 12 igen A hozaganyag függvénye Villamos szikraedzés >12 nincs 7 2 Nagyobb, mint a megeresztési diagram,5...5 Igen jó,5...,5 Igen jó Az ötvözettől függ Jó,1...,5 Igen jó Kromálás 3 nincs ,5...,2 (,8) Közepes jó Nikkelezés nincs 11 43,1...,5 Közepes jó Lángszórás nincs kb.,1 Kielégítő Bevonatolás TiCdal Bevonatolás WCdal Bevonatolás TiNdel igen >5 oxidáció,5...,1 Jó nincs 23 < 7,15...,2 Közepes jó nincs ,2...,5 Jó igen jó Megújulás és újrakristályosodás. Képlékenyalakításkor a fémek energiatartalma jelentősen nagyobb lesz, a diszlokációk száma ugrásszerűen megnő. Ha az ilyen, az előzetesen alakított fémeket felhevítjük (pl. hegesztéskor), akkor a fém szövet szerkezete és tulajdonságai megváltoznak a megújulás, majd az újrakristályosodás és az esetleg bekövetkező szemcsedurvulás során. A megújulás a fémek hidegalakítását követő felhevítéskor végbemenő összetett folyamat, amelynek során az alakításkor létrejött feszültségek leépülnek és visszaáll a fém fizikai tulajdonságainak alakítás előtti állapota, a szövetszerkezet azonban lényegében nem változik, csak a kristályokon belül megy végbe kisebb változás, pl. a beékelődött atomok üres helyre vándorlása (1.7. ábra). Alakításkor az alakítás mértékétől függően a szilárdsági jellemzők (szakítószilárdság, folyáshatár, keménység) nőnek, a nyúlás és a kontrakció csökken.

11 1.7. ábra. Megújulás a) a mechanikai és a villamos tulajdonságok változása alakításkor; b) változás az alakítást követő hőkezeléskor A a nyúlás; R m a szakítószilárdság; R P a rugalmassági határ; κ az elektromos vezetés Meghatározott hőmérséklet felett, ha t >,4 t olv, az izzítás során végbemegy a fém újrakristályosodása, ekkor a folyáshatár csökken, a nyúlás nő. Ez pl. acél esetében,4 ( ) = 72 K = 447 C, alumíniumra pedig,4 (66+273) = 373,2 K = 1 C. Az újrakristályosodáskor tehát új szemcsék alakulnak ki (1.86 ábra), a mechanikai tulajdonságok az alakítás előtti értéket veszik fel, az alakításkor keletkező rácshibák megszűnnek ábra. A megújuló kristályszerkezet a) alakított; b) újrakristályosodott; c) durvaszemcsés Ahhoz, hogy az újrakristályosodás bekövetkezzen, az alakítás mértékének meg kell haladnia bizonyos értéket. A legdurvább szemcsenagyságot adó alakítás a kritikus alakítási fok. Ha a fémet az újrakristályosodási küszöbhőmérséklet értékén vagy afölé hevítjük, akkor szemcsedurvulás következik be (1.8c ábra). Ha az alakítás hőmérséklete nagyobb, mint az újrakristályosodás hőmérséklete, úgy melegalakításról beszélünk. A másodlagos újrakristályosodás főként a nagyobb hőmérsékleten és nagy alakítási fokkal alakított fémekben megy végbe. A színalumínium kritikus alakítási foka Z..1% ( C), a lágyacéloké 8...1% ( C). Ha a munkadarabot hegesztés előtt a kritikus alakítási fok közelében alakították, akkor nagy hőbevitelű technológiával hegesztve újrakristályosodik, és szemcsedurvulás következik be. Az 1.9. ábrán az alumínium újrakristályosodási diagramja látható.

12 1.9. ábra. 99,6%os alumínium újrakristályosodási diagramja 1.4. Fémötvözetek Ötvözetképződés. A fémötvözet látszatra egynemű fémes anyag, amelyet két vagy több fém, fémekhez közelálló elemek (un. metalloidok) vagy nemfémes elemek alkotnak. Az ötvözés többnyire a fémek megolvasztása útján megy végbe, néhány kivételtől eltekintve (pl. ólom és alumínium) a fémek folyékony állapotban korlátlanul oldják egymást. Az ötvözetet alkotó elemek háromféleképpen jelenhetnek meg az ötvözetben: a két elem egymással (korlátlan vagy korlátolt) szilárdoldatot alkot, a két elem egymással vegyületet alkot, a két elem egymással eutektikumot, ill. eutektoidot alkot. A szilárd oldatban részt vevő elemek közös kristályrácsot alkotnak úgy, hogy az egyik elem atomjai a másik elem atomjai helyébe lépnek (helyettesítéses szilárd oldat), vagy a másik rács atomjai közé beépülnek (beékelődéses szilárd oldat). Utóbbi csak akkor mehet végbe, ha az oldott elem atomátmérője kicsi. Ha az atomok elrendeződése szabályos, akkor rendezett rácsú szilárd oldat jön létre (pl. Fe 3 A1, Ni 3 Fe). A vegyület olyan több alkotós kristályos fázis, amelynek rácsa független az alkotókra jellemző rácstípustól, és az alkotók a vegyületben képlettel kifejezhető, sztöchiometrikus arányban vesznek részt. A vegyület termikusan és mechanikailag is stabil fázis, többségük kemény és rideg. A fémek képezhetnek vegyületet egymással (pl. A1 2 Cu, Mg 2 Cu) vagy nercfémekkel (pl. Fe 3 C, Fe 2 N, TiC). Így képződhetnek karbidok, nitridek, oxidok, szilikátok stb., ezek alapvetően meghatározzák az anyagok tulajdonságait. A fémek egyensúlyi diagramja. Az egyensúlyi diagramok két vagy több ötvözet egyensúlyi körülmények között végbemenő folyamatait mutatják különféle összetétel és hőmérséklet esetén. A kétalkotós egyensúlyi diagram a kétalkotós ötvözet felhevítés kor, ill. lehűlésekor lejátszódó folyamatot szemlélteti. A diagram alakját az határozza meg, hogy a két alkotó szilárd állapotban oldjae egymást, a két elem képeze egymással vegyületet, s ha igen, milyen arányban. A mind folyékony, mind szilárd állapotban egymást minden arányban oldó két fém egyensúlyi diagramjára példa a CuNi egyensúlyi diagram (1.1a ábra). A réz olvadáspontja 183 C, a nikkelé 1455 C. A nikkelötvözés növeli a folyáshatárt és a korrózióállóságot (l. még az 1.5. alfejezetet). A % Cutartalmú nikkelötvözet (un. monelfém) öntöttvasak hegesztéséhez alkalmas. Az AlSi kétalkotós diagramot vizsgálva látható, hogy a két fém szilárd állapotban alig oldja egymást: az alumínium legfeljebb 1,65% Siot old, a szilícium legfeljebb 3% Alot. 11,7% Si tartalom esetén azonban mindkét alkotónál kisebb olvadás pontú eutektikum keletkezik. A szilumin néven ismert eutektikus A1Si ötvözet jól önthető, a dugattyúötvözetek anyagaként használatos (1.16 ábra).

13 1.1. ábra. Kétalkotós egyensúlyi diagramok a) CuNi; b) AlSi; c) SnPb; d) AlCu Hasonlóan korlátoltan oldja egymást és eutektikumot is képez a SnPb ötvözet, amely kis olvadáspontja révén ismert lágy forraszötvözet (1.lc ábra). Az ötvözetek egymással gyakran képeznek vegyületeket, amelyek kiválása sok esetben kedvező (pl. a kiválásos keményítéskor), ha az alapfém a vegyületet korlátoltan oldja. Erre a példa az A1Cu ötvözet, amelynek kétalkotós egyensúlyi diagramjából az alumíniumhoz közelebb eső részét szemlélteti az 1.ld ábra. Az alumínium a rezet korlátoltan oldja, 54% réztartalomnál az alumínium a rézzel A1 2 Cu vegyületet képez. A természetes, ill. mesterséges öregítő hőkezeléskor a korlátolt oldó képesség vonala fölé hevített ötvözet lehűlése során kiváló vegyület az alumíniumkeménységét növeli (l. az alumínium nemesítését). Két, ill. három fém hegesztésekor kialakuló varrat 1.5 táblázat Egyensúlyi diagram A hegvarrat szövetszerkezete Magyarázat A teljes heganyag szívós, repedésre nem hajlamos vegyes kristályokból áll. A hegesztett kötés fémtani és mechanikai tulajdonságai optimálisak. A hegesztett kötés minősége függ az eutektikum tulajdonságától. ez többnyire keményebb és ridegebb, mint az A és B primer krisztallitok. A kis olvadáspontú eutektikum könnyen melegrepedés válthat ki

14 Két fémet nehezen vagy egyáltalán nem lehet összehegeszteni, ha a két fém egymással vegyületet alkot. A vegyület már kis mennyiségben is elridegíti a varratot (CuZn, CuSn, AlCu, AlFe). Akkor lehet esetleg repedésmentes kötést létrehozni, ha a heganyag kevés B alkotót tartalmaz (pl. A hozaganyaggal való hegesztés esetén) Ha az előbbi nem vezet eredményre, a kötést harmadik fémmel kell elkészíteni, amelyik sem az A fémmel, sem a Bvel nem alkot intermedier vegyületet (ilyen pl. a nikkel, amely sok fémmel, pl. a vassal, rézzel korlátlanul oldódik) A peritektikus reakcióra példa a,17% széntartalmú FeC ötvözet ( ábrát), ahol a,9% széntartalmú, térközepes köbös α ferrit és a,53% széntartalmú ömledék hűléskor, 1495 Con lapközepes köbös ausztenitté (γ vassá) dermed. A hegesztett kötés tulajdonságát meghatározza a kötésben részt vevő alkotók (fémek) összetétele, a hegesztéskor végbemenő keveredés mértéke stb. A különböző egyensúlyi diagramok esetén kialakuló varratra az 1.5. táblázatban találunk példát Vasszén ötvözetek A vas és az elemi szén (karbon) ötvözetét 2,14% Ctartalomig acélnak, a fölött öntöttvasnak nevezzük. Vasötvözetek azok a fémek, amelyek több mint fele részben vasból állnak, de vas tartalmuk nem éri el az ipari színvasra előírt szintet. A vasszén ötvözetek gyártása és feldolgozása. A nagyolvasztóból kikerülő nyersvas további feldolgozásra az acélműbe vagy az öntödébe kerül. Az oxigénbefúvásos konverteres acélgyártás terméke kis P, S, N és Otartalmú acél. Az így kapott acélból tuskók vagy folyamatos öntésű bugák készülnek. Az ötvözött acélokat ívfényes villamos kemencében állítják elő, nagyobb követelmények esetén a folyékony acél vákuumkezelésre kerül tovább. Ha a végtermék acélöntvény, akkor az acélt öntik vagy kovácsolásra szánt tuskót készítenek belőle. A tuskókból melegalakítással kovácstermékeket, csöveket, hosszú, ill. lapos termékeket gyártanak. Kovácsolni általában csak a kis C és Sitartalmú ötvözeteket lehet. A csövek hengerléssel vagy hegesztéssel, hossz vagy spirálvarrattal készülnek. Hengerelt termékek pl. a rúd, idom, betonacél, a huzal, a sín, lemez, szalag. A különleges alakú vagy vékony falú szelvényeket lemezsávokból vagy szalagokból, hideghajlítással állítják elő. A huzalokat huzalhúzó célgépekkel gyártják, két húzás közötti lágyító hőkezelés beiktatásával. Hideghúzással állítják elő a hegesztőhuzalokat, a hegesztőpálcákat és az elektródákat is. Az acélok dermedését és tulajdonságait meghatározzák az acélban jelen levő gázok, szennyező és kísérő elemek. Az acél készülhet csillapítatlan, csillapított, ill. különlegesen csillapított minőségben. A csillapítatlan és a csillapított acélok tulajdonságainak összehasonlítása 1.6. táblázat Jellemzők Csillapítatlan Csillapított Különlegesen csillapított Kémiai összetétel Si nyomokban Si,1...,4% Si,1...,4% Mn,2...,4% Mn,2...,6% Mn,2...,6%

15 C max,25% Al fémes >,2% Fontosabb kémiai reakciók FeO+C CO+Fe FeS+Mn MnS+Fe FeS+Mn MnS+Fe FeS+Mn MnS+Fe 2FeO+Si SiO 2 +2Fe 2FeO+Si SiO 2 +2Fe FeO+Mn MnO+Fe 3FeO+2Al Αl 2 O 3 +3Fe FeN+AI A1N+Fe Ütőmunka változása Lunkerképződés Erős Csekély Csekély Felületi minőség Jobb Rosszabb Rosszabb Öregedési hajlam Nagy Kisebb Legkisebb A csillapítatlan acélba adagolt mangán a kén és az oxigén megkötését segíti elő, a FeO és a C reakciója során kialakuló CO miatt az acélfürdő csillapítatlan marad. Az ilyen acélok csak alárendelt célokra használhatók. A csillapított acélban a mangánon kívül szilícium is van, az oxigén FeO helyett SiO 2 formájában van megkötve, és nem keletkezik CO. A fémfürdő nyugodt, a szennyezők eloszlása egyenletes. A különlegesen csillapított acélba a Mn és a Si mellett Alot is ötvöznek. Az A1 megköti az oxigént és a nitrogént, ezáltal az acél öregedésálló lesz. Az AlN csíraképző hatása révén az acél finomszemcsés lesz, nő a folyáshatára és az ütőmunkája. A háromfajta acélt az 1.6. táblázat hasonlítja össze. Az acél szennyező elemei Az oxigén főként vegyületek formájában fordul elő az acélban. Csökkenti a szilárdságot és a nyúlást, növeli az acél meleg repedési hajlamát. Az acél dezoxidálása (Mn, Si, Almal) csökkenti az acélban lévő oxigén mennyiségét. A nitrogén ugyan növeli az acél szilárdságát, de erősen csökkenti a szívósságát, elősegíti a hidegen alakított acél öregedését és a 2 35 C között bekövetkező kéktörékenységet. A nitrogén kedvezőtlen hatása csökkenthető nitridképző ötvözőelemek (Al, Ti, Nb stb.) bevitelével, ezáltal az acél öregedésállóvá válik. A hidrogént az acél folyékony állapotban jól oldja, és az acél gyors hűtésekor bennmaradó hidrogén az acél elridegedéséhez vezethet. A diffúzióképes hidrogén fémfürdőből való kijutása a munkadarab előmelegítésével elősegíthető, ezáltal csökkenthető az acél hidegrepedési hajlama. Hegesztett varrat hideg repedése legtöbbször a hőhatásövezetben következik be. A kén az acél szilárdsági tulajdonságaira alig hat, de a képlékenységet és a korrózióállóságot csökkenti. A kén az acél melegrepedési hajlamát azáltal növeli, hogy a vassal alkotott vegyülete (FeS) a vassal 975 Con dermedő eutektikumot képez, ez pedig az acél meleg állapotában repedést okoz. Hegesztett varratokban a melegrepedések a varrat közepén keletkeznek. A kén megköthető Mn és Ca ötvözőkkel, így a melegrepedési veszély csökkenthető. A foszfor növeli a szilárdságot, az önthetőséget és a korrózióállóságot, viszont ridegíti az acélt, ezért mennyiségét lehetőség szerint,3% alatt kell tartani. A réz növeli az acél szilárdságát és korrózióállóságát, de csökkenti képlékenységét és,2% felett elősegíti az acél vöröstörékenységét. Vasszén egyensúlyi diagram. A vas polimorf fém, azaz hőmérséklettől függően több módosulata is van. A tiszta vas (amely csak elméletileg létezik) 1538 Con ömlik meg. Dermedése során térközepes köbös δ vassá szilárdul, amely 1394 Con lapközepes köbös γ vassá (ausztenitté) alakul át. 912 Con a gammavas ismét átalakul térközepes köbös α vassá (ferritté). További hűléskor újabb átalakulás már nem következik be.

16 A tiszta vas szobahőmérsékleten mágnesezhető, ezt a tulajdonságát 77 Con (az ún. Curieponton) elveszti, a felett a vas paramágneses. Ez a folyamat megfordítható, tehát lehűléskor a vas ismét mágnesezhetővé válik ábra FeC egyensúlyi diagram és szövetelemábra A vas legfontosabb ötvözőeleme az elemi szén (karbon), amely három különböző formában lehet jelen a FeC kétalkotós ötvözetben: oldott állapotban ( δ, γ vagy α, szilárd oldat), vegyületként (pl. cementit, Fe 3 C), kristályos (szabad) állapotban (pl. grafit). A vas Coldó képessége függ a Ctartalomtól és a hőmérséklettől, így a α γ α vas max.,17% Ct old 1493 Con, vas max. 2,14% Ct old 1147 Con, vas max.,218% Ct old 727 Con.

17 A FeC kétalkotós egyensúlyi diagramot az ábra szemlélteti a hozzá tartozó szövetelemábrával. A vas Coldó képességének változását a PQ (ferrit), az ES (ausztenit) és a HN (δ ferrit) vonal jelöli. Mivel az oldóképesség behatárolt, egyensúlyi körülmények közötti hűléskor a C cementit (lassú hűléskor grafit) formájában kiválik. A PQ vonalnál tercier Fe 3 C, az ES vonalnál szekunder Fe 3 C, a DC vonalnál primer Fe 3 C jön létre (1.12. ábra) ábra A FeC ötvözet metastabil rendszerű fázisai és szövetelemei

18 1.13. ábra. A FeC ötvözetek fázisainak és szövetelemeinek mikroszkópos képe 4,3% Ctartalomnál 1147 Con kétfázisú szövetelem, a cementitbe ágyazott ausztenitből álló ledeburit alakul ki. Ennek ausztenitje 727 Con perlitté bomlik, ezért a ledeburit mikroszkópos képén cementitbe ágyazott perlitet látunk. Mivel az ágyazó szövet vegyület, a ledeburit nem alakítható, rideg, kemény, olvadáspontja a vasszén ötvözetek sorában a legkisebb (1.13. ábra).,76% Ctartalomnál, 727 Con ugyancsak kétfázisú szövet elem, a ferrit és cementit rétegződéséből álló perlit jön létre az ausztenitből. Mivel a ferrit körülfogja a cementit lemezkéket, a perlit képlékenyen alakítható, keménysége kb. 18 HV, nyúlása kb. 1%. Az ausztenit lapközepes köbös, szilárd oldat, lágy, rendkívül jól alakítható, nem mágnesezhető. Ötvözetlen acélokban csak 727 Cnál nagyobb hőmérsékleten stabil. A ferrit térközepes köbös, szilárd oldat, lágy, jól alakítható, 77 Cnál kisebb hőmérsékleten mágnesezhető. A max. 2,14% Cet tartalmazó FeC ötvözeteket acélnak nevezzük;,76% C alatt hipoeutektoidos, felette hipereutektoidos acélról beszélünk. A 2,14...6,67% Ctartalmú FeC ötvözetek az öntöttvasak; 4,3% C alatt hipoeutektikus, 4,3 % C felett hipereutektikus az öntöttvas. A cementit rombos rendszerben kristályosodó, kemény, rideg, nem alakítható vegyület (1.14. ábra). Jelenléte esetén csök ken az alakíthatóság, kedvező eloszlása növeli a kopásállóságot. A hipereutektikus nyersvasban nagy táblák formájában primer cementitként,,76...4,3% C esetén szekunder cementitként, rendszerint hálós formában jelenik meg. A hipoeutektoidos acélokban mint tercier cementit fordul elő.

19 1.14. ábra. A cementit kristályrácsa ábra. Maurerdiagram A szénszilícium arány hatása az öntöttvas egyensúlyi szövetére 1 szürkevas; 2 fehérvas A stabil FeC rendszerben az elemi szén grafit alakjában van jelen. Ennek az öntöttvasaknál van jelentősége, így pl. 4,3% Cnél grafiteutektikum jön létre, amely úgy dermed meg, mint a színfém. A grafit elemi szén, amely egyszerű hexagonális rendszerben kristályosodik, gyakorlatilag nincs szilárdsága és keménysége. Attól függően, hogy a grafitot milyen alakban és mennyiségben tartalmazza az öntöttvas, a tulajdonságai különbözők. Az ilyen öntöttvasakat szürkevasnak nevezik. Az öntöttvas szilárdsága kicsi, de a grafitlemezek finomításával vagy a lemezes grafit gömbösítésével növelhető. A grafitos rendszerben való kristályosodás függ a lehűlés sebességétől és a jelenlévő ötvözőktől. Lassú hűléskor a szén grafitként, gyors hűléskor Fe 3 C (cementit) formájában van jelen. Ez utóbbi esetben a töret fehér színe miatt az öntöttvasat fehérvasnak is hívjuk. Az ötvözőelemek közül jelentős a Si hatása. Ezt a Maurer diagram szemlélteti (1.15. ábra). Ha növelik a Si mennyiségét, a fehérvas először grafit + perlites, majd nagyobb Sitartalomnál grafit + ferrites szerkezetű lesz. Az ábrán az egyes tartományokra jellemző szövetképek láthatók nagyítva. A hőkezeléssel a fémes anyagok tulajdonságait szilárd állapotban változtatjuk meg, a szövetszerkezetüket meghatározott tulajdonságok elérésére (pl. nagyobb szilárdság, szívósság, jobb megmunkálhatóság stb.) alakítjuk át. A hőkezelési eljárásokat az ábra foglalja össze.

20 Az acélok hőkezelési eljárásait az ábra mutatja. A hőkezelés három szakasza: 1. Felhevítés egy vagy több lépcsőben az előírt hőmérsékletre. 2. Hőntartás ezen a hőmérsékleten. 3. Lehűtés megfelelő közegben. A hevítés sebessége függ az acél összetételétől, a munkadarab alakjától és a falvastagságától. Míg a hevítés hőkezeléskor irányítható és tervezhető, hegesztéskor a munkadarab felhevítése igen eltérő lehet, és a hegesztési eljárástól, a munkarendtől is függ. Az izzítási eljárásokat az 1.7. táblázat foglalja össze. Ezek egy részében az acélt az ausztenites tartományba hevítjük fel, és innen hűtjük lassan (kemencében vagy levegőn). Az ausztenitesítési diagramon (1.18. ábra) izotermikus hőntartás vagy folyamatos hevítés esetén látható a perlitausztenit átalakulás, a keletkezett ausztenit szemcsefinomsága, homogenitása és koncentrációja, a karbidok mennyisége és eloszlása.

21 1.16. ábra. A hőkezelési eljárások csoportosítása az MSZ 4381 alapján 1.7. táblázat Izzítási eljárások

22 Izzítás Ábra Cél Előny Hátrány Alkalmazás Diffúziós Homogenizálás, szennyezők, zárványok(dúsulás) oldása Közelítőleg homogén állapot elérése Drága, reveképződés, szénkiégés, durvaszemcsés szerkezet Szerszámacélok karbideloszlásának befolyásolása, szulfidok kedvező elosztása, homogén szövetszerkezet további hőkezeléséhez Szemcsenövelő (durvító) Szemcsék durvítása, a forgácsolhatóság javítására Kedvezőbb főként a kis forgácsoló sebességű megmunkáláshoz (üregelés, fúrás, gyalulás) A durvább szemcse csökkenti a szívósságot, ezért normalizálás szükséges Kis széntartalmú acél, Cr, Cr Mn, CrMo, betétben edzhető acélok forgácsolása előtt Normalizáló Finomszemcsés, egyenletes szövet (normál állapot) előállítása Egyensúlyi, normál állapot kialakulása Átalakulás nélküli acélok nem normalizálhatók; a hidegen alakított vagy nemesített acél szilárdsága csökken Valamennyi acélöntvény, hegesztés vagy vágás után, hibásan végrehajtott hőkezelés után hidegen alakított acélokhoz Lágyító Megmunkálhatóság javítása, szívósság növelése, lágy állapot elérése Lágy állapotban a fém könnyebben megmunkálható Az ingázó lágyításhoz különleges hőkezelő berendezés kell Nagyobb szén és ötvözőtartalmú acélok forgácsolásához, kedvezőbb hidegalakítás, edzés előtt Feszültségcsökkentő A fém megmunkálása során keletkezett feszültségek csökkentése, a mechanikai tulajdonság nem változik Feszültségek, ezáltal a repedési veszély csökkentése, egyenletes feszültségi állapot elérése Teljes feszültségmentesítés nem lehetséges Öntés, meleg és hidegalakítás, forgácsolás, egyengetés, a hegesztés utáni feszültségek csökkentésére Újrakristályosító A hidegalakítással együtt járó káros jelenségek megszüntetése Az alakított szövet helyett új szövetszerkezet kialakítása Kis alakítási fok esetén (5 15%), igen durva szemcsék keletkeznek (q krit), hosszú hőntartás esetén szekunder rekrisztalliz áció Acélok, alumínium, réz alakítására

23 1.17. ábra. Acélok hőkezelésének hőmérsékletsávjai

24 1.18. ábra. Folyamatos hevítésű ausztenitesítési diagram ferrit + perlites acélra ábra. Az átalakulás folyamata a) perlites; b) bénites Az ausztenit mezőből való lehűtéskor a hűtés sebességétől függően diffúziós vagy diffúzió nélküli átalakulás mehet végbe. Az ausztenitperlit, ill. az ausztenitbénit diffúziós átalakulást az ábra szemlélteti. Perlites átalakuláskor a folyamat mindig cementit csírák keletkezésével kezdődik, bénites átalakuláskor az ausztenit szemcsék határán ferritcsírák jelennek meg. A bénit tehát cementit korongokat, ill. lapocskákat tartalmazó, tűs ferritkristályok halmaza. Szilárdsága a perliténél nagyobb, nyúlása kisebb. A szilárdság annál nagyobb, minél kisebb hőmérsékleten megy végbe az átalakulás. A diffúziós átalakulások végbemehetnek állandó hőmérsékleten vagy folyamatos hűtés mellett. Előbbit az izotermikus, az utóbbit pedig a folyamatos lehűlési diagramok szemléltetik. Az 1.2. ábrán néhány jellegzetes FeC ötvözet izotermikus, ill. folyamatos lehűlési diagramja látható. Az izotermikus lehűlési diagramoknak pl. a szerszámacélok lépcsős edzéses felrakóhegesztésekor van jelentőségük.

25

26 1.2. ábra. Az átalakulási diagramok jellegzetes típusai a) izotermikus; b) folyamatos hűtésű A folyamatos lehűlési diagramokból megállapítható, hogy az adott acél az ausztenites tartományból (hegesztéskor sokszor ömledékből) hűtve milyen szövetszerkezetű lesz. A lehűléskor lejátszódó változásokat,15% Ctartalmú hipoeutektoidos acél lehűlési diagramján vizsgáljuk. Lassú hűtéskor az acél a Ltartalmának megfelelően kb. 88% ferrit + 12% perlites lesz. Gyorsabb hűtéskor ferrit + perlit + bénit + martenzit alkotja a szövetszerkezetet (9% ferrit + 11% perlit + 24% bénít + 56% martenzit), a keménysége 329 HV A tiszta martenzit eléréséhez olyan gyors hűtés kellene, ami a gyakorlatban nem valósítható meg (1.21. ábra).

27 1.21. ábra.,15%os Ctartalmú hipoeutektoidos acél folyamatos lehűlési diagramja Összetétel, % C Si Mn P S Cr,15,29,39,72,25,72 Az ábra alján bekarikázott számok a HV keménységet jelentik A.martenzit diffúzió nélküli átalakulási termék, amely a lap közepes köbös ausztenitből tetragonális ráccsá való átalakulással keletkezik (1.22. ábra). A martenzit kemény (8...1 HV), rideg fázis, keménységét a rácselemek torzulása okozza, amelyet a Ctartalom határoz meg ábra. A martenzit tetragonális rácsának kialakulása lapközepes köbös ausztenitből Minél nagyobb az acél Ctartalma, annál nagyobb lesz a keménysége, ill. annál kisebb hőmérsékleten alakul át az ausztenit martenzitté (1.23, ábra). Az a lehűlési sebesség, amelyen teljes egészében végbemegy a martenzitté való átalakulás, a u krit felső értéke. A u krit alsó értéke pedig az a lehűlési sebesség, amelyen egyáltalában nem keletkezik martenzit.

28 1.23. ábra. Az acél keménységének változása a Ctartalom függvényében Az acélt akkor tekintjük edzettnek, ha legalább 5% martenzitet tartalmaz; az ehhez tartozó keménység,2% Ctartalom esetén kb. 35 HV. Edzéskor az ausztenitmartenzit átalakulás térfogatnövekedéssel jár, ami elhúzódást, vetemedést vagy feszültségnövekedést idéz elő. Az edzés hőmérséklete az A C,,76% Ctartalom felett az A C. Edzeni lehet folyamatosan hűtve vagy megszakítással (pl. a lépcsős edzés, ún. martemperálás). Az acélok edzhetőségét elősegítik azok az ötvözők (pl. Cr, Mn, Mo), amelyek az átalakulási diagramot jobbra tolják, a kritikus hűlési sebességet csökkentik. Megeresztéssel csökkentjük az edzéssel bevitt feszültségeket, mivel a tetragonális martenzit köbössé alakul át. Az 1.8. táblázat a megeresztési hőmérsékleteket és futtatási színeket foglalja össze néhány alkalmazási példával C közötti megeresztéskor a keménység még alig csökken, C között mind az R m, mind pedig a HV csökken. 35 C felett már jelentősebb a szilárdságcsökkenés. Példák a megeresztésre 1.8. táblázat Szerszám Keménység Futtatási szín Hőmérséklet, C Dörzsár Igen Fehérsárgás 2 Rajztű Kemény Szalmasárga 22 Mérőeszköz Aranysárga 23 Menetvágók Sárgásbarna 24 Süllyesztők Kemény Barnásvörös 25 Kalapács Vörös 26 Csigafúró Bíborvörös 27 Hidegvágó

29 Véső Szívós Viola 28 Pontozó kemény Sötétkék 29 Lyukasztó Búzavirágkék 3 Fejsze Világoskék 32 Csavarhúzó A nemesítés az ötvözött acélok edzését követő nagy hőmérsékletű megeresztés. Célja a szívósság növelése: ekkora meg eresztés felső hőmérséklethatára az adott acélra vonatkozó A 1, és a C között megeresztett martenzitből ferritbe ágyazott gömbös vagy szemcsés cementitet tartalmazó kétfázisú szövet, szferoidit keletkezik. Az ötvözőelemek hatása. Az acélok ötvözőelemei befolyásolják az acél A 3 kritikus hőmérsékletét, az acél u krit kritikus lehűlési sebességét, valamint vegyületeket, pl. karbidokat, nitrideket képeznek az alap fémmel, ill. egymással. Az ötvözőelemek megváltoztatják az izotermikus és folyamatos lehűlési diagramok alakját (1. az ábrát), az alapfém mechanikai, fizikai és kémiai tulajdonságait, szövetszerkezetét. Az ötvözés hatására változik a fém alakíthatósága, önthetősége, hegeszthetősége, megmunkálhatósága stb. A fontosabb ötvöző elemek hatásait az 1.9. táblázat foglalja össze. Ebből a következők állapíthatók meg: Az elemi szén (karbon, C) az acél természetes ötvözőeleme, már kis mennyiségben is megváltoztatja az acél tulajdonságát.,1% C az acél szakítószilárdságát kb. 1 MPalal növeli, növeli a folyáshatárt, csökkenti a szívósságot (1.24. ábra). A C növeli az edzhetőséget és ezáltal rontja a hegeszthetőséget.,22% Ctartalomig általában az acélok jól hegeszthetők, fölötte már csak bizonyős feltételek mellett (pl. előmelegítés). A mangán (Mn) a γ mezőt tágító, vagyis ausztenitképző ötvöző. Növeli az acél szilárdságát, az átalakulási diagramot jobbra tolja, a kritikus lehűlési sebességet csökkenti, és ezáltal az acél átedződését növeli. Dezoxidáló hatású, mint a Si, továbbá meg köti a S t, ezzel csökkenti a melegrepedési veszélyt. A szilícium (Si) erős dezoxidáló ötvöző. Növeli az acél szilárdságát, csökkenti a nyúlását és hidegalakíthatóságát. Növeli a rugalmassági határt (rugóacélok), javítja a kopásállóságot, reveállóságot (hőálló acélok). Az öntöttvas és az alumínium fontos ötvözője. Erős karbidképző, karbidja (SiC) és oxidja (SiO 2 ) a kerámiák alapanyaga. A Si elősegíti hegesztéskor a kisebb olvadáspontú salak kialakulását (szilikátok). A hegesztési hozag és segédanyagok (pl. fedőpor) alkotója. Az ötvöző, ill. szennyező elemek hatása az acél tulajdonságaira 1.9. táblázat Anyag tulajd onság ok Ötvöző ill. szennyező elemek nemfémek fémek C N Si S P Co Cr Mn Mo Ni V W Szakít ószilár dság * Szívós ság Meleg szilárd ság Meleg alakít hatósá g

30 Hideg alakít hatósá g Forgá csolha tóság Korró zióáll óság Átedz hetősé g ** Heges zthető ség Példák acélokra Acél: 2,14 %ig Betét ben edzh ető acél,5...,22 % Thom asacél,2...,4% Elektr oacél <,16 % Sitartalmú rugóacél 1...3% Mélyhúzhat ó lemez <,2% Automata acél,15...,3 % Hegesztőh uzal <,3% Automataa cél <,1% Tömegacél <,6% Gyorsa cél % Nemesíthető acél,6...1,2% Korrózió, sav és hőálló acél 13 18% Kopásálló Mnacél 1% CrMn acél % (3% Cr) Melegszil árd acél,4...1 % Melegala kító szerszám acél 5...8% Hidegszívó s acél 9% CrNi acél % Gyorsacél 5% Nemesíthe tő acél,1...1% Gyorsacél % Nem esíth ető acél,3...,6% Szers záma cél 1,5% növeli, csökkenti, hatása a C tartalomtól függően változhat, nincs hatása * Hengerelt ill. lágyított állapotban. ** A széntartalomhoz viszonyítva.

31 1.24. ábra. A mechanikai tulajdonságok változása a Ctartalom függvényében A króm (Cr) zárja a γmezőt, ferritképző ötvöző. Növeli az acél szilárdságát, keménységét, csökkenti a kritikus lehűlési sebességet, elősegíti az acél edzhetőségét. Növeli a melegszilárdságot és a reveállóságot, 12% fölött a korrózióállóságot vizes oldatokkal, 13% fölött (kis Ctartalom esetén) különféle savakkal és forró gázokkal szemben is. Erős karbid (Cr 23 C 6, Cr 7 C 3, Cr 3 C 2 ), nitrid és oxidképző. A molibdén (Mo) a krómnikkel acélok és a melegszilárd acélok járulékos ötvözőeleme a megeresztésállóság növelésére. 18/8as ausztenites krómnikkel acélokba a kénsavval és klór mésszel szembeni ellenállás fokozására használják. Ferrit és karbidképző ötvöző, szemcsefinomító hatású, elősegíti az edzhetőséget. A vanádium (V) ferrit, karbid és nitridképző elem, erős dezoxidáló. Szemcsefinomító járulékos ötvöző, növeli az acél szilárdságát, melegszilárdságát, csökkenti a túlhevítési érzékenységet. A rugóacélok és a szerszámacélok fontos ötvözője. A nikkel (Ni) ausztenitképző ötvöző, növeli a folyáshatárt és javítja az acél szívósságát (növeli az ütőmunkát különösen kis hőmérsékleten). Csökkenti a kritikus lehűlési sebességet, a nemesíthető, korrózió és hőálló acélok fontos ötvözője. A volfrám (W) szűkíti a γ mezőt, igen erős karbidképző ötvöző. Növeli az acél szilárdságát, elősegíti az edzhetőségét, növeli a megeresztésállóságát és a melegszilárdságát, reveállóságát. A szerszámacélok fontos ötvözője. Az alumínium (Al) ferritképző, dezoxidáló és szemcsefinomító ötvöző, megköti a nitrogént és csökkenti az öregedési hajlamot. Növeli a reveállóságot (hőálló acélok). A nitridálható acélok fontos ötvözője. A réz (Cu) növeli a folyáshatárt és az edzhetőséget, csökkenti a nyúlást. Foszforral együtt elősegíti a korrózióállóságot a légköri korrózióval szemben, korrózióálló acélokban a só és salétromsavval szemben is. Szerkezeti acélokban nem kívánatos, mivel növeli a melegrepedési veszélyt. A titán (Ti) erős dezoxidáló, és megköti a nitrogént. Erős karbidképző ötvöző. Javítja az acél öregedésállóságát, finomítja a szemcséit, növeli a szívósságát. Oxidja (TiO 2 =rutil) az elektróda bevonat fontos alkotója, salakképző. Az erősen ötvözött acélokban stabilizáló ötvöző, csökkenti a szemcsehatár menti korróziós veszélyt. A tantál (Ta) ferrit, nitrid és karbidképző ötvöző. Stabilizáló hatását a szemcseközi korrózió csökkentésére használják. A cirkónium (Zr) ferrit és karbidképző ötvöző, dezoxidáló hatású. Megköti a nitrogént és a ként, csökkenti a melegrepedési veszélyt.

32 1.6. Hegeszthetőség A fémek hegeszthetősége az MI 435 szerint: A hegeszthetőség a fémek hegesztéstechnológiától függő alkalmassága olyan hegesztett kötés létrehozására, amely helyi tulajdonságai és a hegesztett szerkezetre (alkatrészre) gyakorolt hatása szempontjából megfelel a követelményeknek. A hegeszthetőség komplex anyagi tulajdonság, ezért csak a szerkezettel, a hegesztéstechnológiával és az igénybevételekkel való kölcsönhatásban értelmezhető. A hegeszthetőség mértéke függ a kötés tulajdonságait és a velük szemben támasztott követelményeket befolyásoló tényezőktől: a hegesztett szerkezet (alkatrész) jellemzőitől, a hegesztéstechnológiától és a felhasználás körülményeitől. Az acél hegesztésre való alkalmasságát meghatározza az acélgyártás és öntés módja, technológiája, az acél vegyi összetétele, hőkezelése és a mechanikai alakítás módja. Ezek az anyag szerkezeti, mechanikai és fizikai tulajdonságokban jutnak kifejezésre, amelyeket az acélokra vonatkozó előírások (szabványok) tartalmazzák. Az alkalmazás körülményeit meghatározza a szerkezet (termék) alakja, mérete, alakítási módja, az igénybevételek, a mértékadó üzemi hőmérséklet stb. A hegeszthetőség mindig egy meghatározott hegesztési eljárásra, hegesztőanyagra és hegesztési munkarendre vonatkozik. A hegesztett kötés helyi tulajdonságaival szemben támasztott fontos követelmény pl. a kötés szilárdsága, fémtani szerkezete, repedés és zárványmentessége stb. Ha a hegesztett kötés a helyi követelményeket nem elégíti ki, akkor a keletkezett hiba kimutatható, a hibás hely javítható. A hegesztett kötés szerkezetre gyakorolt hatásával szembeni követelmény a szerkezet korrózióállósága és biztonsága ridegtöréssel szemben. Ha a kötés az előírt követelményeket nem elégíti ki, akkor az egész szerkezet tönkremehet, mert az ilyen hiba nem javítható. Az acél hegeszthetőségének foka valamely hegeszthetőségi követelmény kielégítésének mértéke, módja. Az acélok rangsorolhatók hegesztési repedésérzékenységük vagy ridegtörési érzékenységük alapján. A fontosabb hegeszthetőségi (technológiai) vizsgálatokat acélokra az MSZ 438, alumíniumra és ötvözeteire pedig az MSZ 4312 tartalmazza Az acélok fajtái és hegeszthetőségük Általános rendeltetésű ötvözetlen szerkezeti acélok. Ezeket az acélokat rendszerint melegen hengerelt vagy kovácsolt állapotban szállítják, és mechanikai tulajdonságaikat írják elő. Általános jelölésük: Fe+szám+betűjel. Az Fe az acélra, a szám a folyáshatárra (a , jel esetén a szakítószilárdságra) utal. A betűk (A, B, C, D) a csillapítás módját jellemzik. Az Fe 31, Fe 49, Fe 59, Fe 69 jelű acélok ütőmunkájára nincs előírás. Az acélok fajtáit az 1.1. táblázat tartalmazza. Általános rendeltetésű ötvözetlen szerkezeti alap és minőségi acélok (az MSZ 5 alapján) 1.1. táblázat Az acél jele Jelenlegi régi A csillapítás mértéke Az acél jellege Összetétel, % Szilárdsági jellemzők Megfelelő német acélminőség DIN 17 1 C Mn Si szakítószilárdság, R m, MPa folyáshatár R eh, MPa Fe 31 A tetszőleges alap St 33 Fe 235 B A 38 tetszőleges alap, St 372 Fe 235 B A38 X FU alap, Ust 372