4. A vasöntészet anyagai

Átírás

1 4. A vasöntészet anyagai 4.1. A vas karbon egyensúlyi diagram A szerkezeti anyagok között az egyik legfontosabb szerepet a vasalapú ötvözetek játszák, ugyanis mind a felhasználási területük kiterjedtsége, mind pedig a felhasznált mennyiség tekintetében rendkívül jelentős anyagtípusként említhetjük. A vasalapú ötvözetek közé sorolunk minden olyan fémes anyagot, amelyben a komponensek (az összetevő kémiai elemek) között a Fe mennyisége a legnagyobb. Amennyiben a Fe-tartalom meghaladja az 50 tömeg-%-ot, az ötvözet neve: acél, és ha a vasalapú ötvözetben a karbon mennyisége (C-tartalom) nagyobb, mint 2,1 tömeg-%, vasnak vagy öntöttvasnak nevezzük. Az 5.1. szakaszból majd kitűnik, de már itt előre kell bocsátani, hogy az acélok és az öntöttvasak legfontosabb ötvözőjének a karbont (szén, C) tekintjük. A C-tartalom meghatározó mind az acélok, mind pedig az öntöttvasak tulajdonságaira, ezért a Fe C fázisdiagram (64. ábra) alapvető ismeretnek számít. Az első Fe C állapotábrát Sir William Chandler Roberts-Austen ( ), brit kohómérnök közölte 1897-ben (65. ábra). 65. ábra Az első Fe C állapotábra (díszítés, nem tananyag) 64. ábra Az Fe C fázisdiagram. A szaggatott vonalak azt az esetet jelölik, amikor a megszilárdulás egyensúlyi módon, a C-nak grafitként való kiválásával megy végbe. A folytonos vonallal jelölt változat pedig a karbonnak Fe3C vas-karbidként való kiválására vonatkozik: ez jellemző az acélokra és fehérvasakra, míg a grafitos kristályosodás a szürkevasakra. 32. oldal

2 Az Fe C fázisdiagramhoz kapcsolódó alapfogalmak Az Fe C rendszer fázisai Olvadék, folyadékfázis Ötvözet, ötvöző Az ötvözet kizárólag olvadékból áll, ha egy Ötvözetnek nevezzük azokat az anyagokat, amelyek alapalkotója valamilyen fém (ezt gyakran nevezik mátrixnak), és mellette egy vagy több további komponens épül be a mátrix atomjai közé. Az ötvözet lehet kristályos vagy amorf. A gyakorlatban használt ötvözeteket általában kétkomponensű ötvözetként tekintjük. A mátrixban elhelyezkedő komponens az ötvöző, ill., ha nemkívánatos a jelenléte, akkor szennyező. Az ötvözőelemek az atomátmérő függvényében a mátrix atomjainak helyére, ill. azok közé illeszkednek. Szilárd oldat Az ötvözet olyan kristályos fázisa, amelyben az ötvözők eloszlása egyenletes a mátrixban. Ha az ötvözők a kristályrács kitüntetett helyeit foglalják el, rendezett rácsú szilárd oldat alakul ki. Vegyület Olyan szilárd fázis, amely az olvadék kristályosodása közben vagy kiválási folyamatok eredményeként alakul ki egy adott koncentrációnál (esetleg egy szűk koncentrációintervallumon). Kémiai képlettel leírható. tetszőleges koncentráció mellett hőmérséklete nagyobb, mint a koncentrációvonal és a fázisdiagram ABCD vonalának metszéspontja. Az ABCD vonal neve: likvidusz. Az AHJECF vonal (szolidusz) alatt nem létezhet. δ-vas vagy δ-ferrit A fázisdiagram A-H-N-A tartományában egyedül stabil fázis. Kristályszerkezete TKK. γ-vas vagy ausztenit A fázisdiagram J-E-S-G-N-J tartományában egyedül stabil fázis. Kristályszerkezete LKK. Maximális C-tartalma 2,14 tömeg-%. Nevét az első Fe C fázisdiagramot közlő Austin-ról kapta. α-vas vagy ferrit A fázisdiagram G-P-origó-G tartományában egyedül stabil fázis. Kristályszerkezete TKK. 20 C-on gyakorlatilag nem oldja a karbont. Vas-karbid, Fe 3 C vagy cementit 6,67% C-nél (25 at-%) keletkező vegyület. A Fe C rendszer metastabil kiválása, amely könynyen létrejön a nem egészen lassú lehűléskor. Koncentráció Grafit Az alapalkotóhoz adott ötvözőelem mennyisége tömegszázalékban vagy atom-%-ban. A fá- Az Fe C rendszer stabil kiválása, amely csak egészen lassú lehűléskor tud kialakulni. zisdiagramon függőleges vonallal jelezzük. Acél: Fe C ötvözet, amelyben C < 2,14%. Hőmérséklet A fázisdiagram függőleges tengelye. A fázisdiagramon vízszintes vonallal jelezzük. Egyfázisú tartomány Olyan tartomány a fázisdiagramon, melyben csak az olvadék v. egy szilárd oldat stabil. Függőleges vonal (valamelyik komponens, ill. az adott rendszer vegyületei). Hipereutektoidos acél: 0,76< C< 2,14%. Eutektoidos acél: C = 0,76% C. Hipoeutektoidos acél: 0 < C < 0,76%. Öntöttvas: Fe C ötvözet, ahol C 2,14%. Hipereutektikus vas: 4,3< C< 6,67%. Eutektikus vas: C = 4,3% C. Hipoeutektikus vas: 2,14 C < 4,3%. Olyan tartomány, amelyben két tetszőleges, de egymással a hőmérséklet mentén szomszédos fázis stabil. A vele szomszédos 2 fázis alkotja Az Fe C rendszer szövetelemei Kétfázisú tartomány Szövetelemnek nevezzük ötvözetnek az optikai mikroszkópos vizsgálattal (pl. szín, alak, méret, eloszlás szerint) megkülönböztethető részeit. δ-ferrit, ausztenit, ferrit Háromfázisú tartomány Egyfázisú, lágy szövetelemek, optikai mikroszkópos szövetképük a 66. ábrán látható. A fázisdiagram vízszintes vonalai. Az a 3 fázis stabil, amelyek a végein és közben érintik a vízszintest. 33. oldal

3 Perlit Vas-karbid, Fe 3 C vagy cementit Kétfázisú, közepes szilárdságú szövetelem, ferrit ( 0% C) és cementit (6,67% C) alkotja. A fázisdiagram S pontjának megfelelő, 0,76% C- tartalmú ausztenitből keletkezik a lehűléskor: allotrop átalakulással ferrit + cementit elegyévé alakul. Szerkezete jellegzetes: lemezes (67. ábra). A perlithez hasonlóan, egy szilárd fázisból két másik keverékeként keletkező átalakulási termék általános fémtani megnevezése: eutektoid. Primer cementit: az olvadékból kristályosodik elsődlegesen (69.a. ábra: vastag tűk). Szekunder cementit: ausztenitből kristályosodik, az abban oldódni nem tudó karbon kiválása miatt (69.b. ábra: vastag tűk a perlitben). Tercier cementit: ferritből kristályosodik, az abban oldódni nem tudó szén kiválása miatt (69.c. ábra: a vastagabb szemcsehatárokon). a) 67. ábra Finomlemezes (F) és durvalemezes (C) perlit b) 68. ábra Lédeburit eutektikus fehéröntöttvasban a) c) 66. ábra Delta-ferrit (a), ausztenit (b) és ferrit (c) Lédeburit Kétfázisú szövetelem, ausztenit és vas-karbid alkotja. Nevét felfedezője, Adolf Ledebur ( ), a híres Bergakademie Freiberg első professzora tiszteletére kapta. A fázisdiagram C pontjának megfelelő, azaz 4,3% C-tartalmú olvadékból keletkezik annak lehűléskor. Szerkezete a két fázis finom elegye (68. ábra). A hozzá hasonlóan, egy folyadék fázisból két szilárd keverékeként keletkező átalakulási termék általános fémtani megnevezése: eutektikum. b) c) 69. ábra A cementit változatai 34. oldal

4 Grafit Lemezes grafit: egykristályként válik ki az eutektikus olvadékból, elmetszve girbe-gurba lemezeket formáz, ezt szemlélteti a 70.a. ábra. Gömbgrafit: gömbszemcsésítő ötvözőknek (Mg) köszönhető az alakja, polikristályos (70.b.). Vermikuláris (átmeneti) grafit: 70.c. ábra. Az acélok esetében a martenzit a kristályrácsból kidiffundálni nem tudó karbon rácstorzulást eredményező hatása miatt sokkal nagyobb szilárdságú lesz, mint az ugyanolyan acélból keletkező perlit. Az általában igen törékeny tűs martenzit szövetképe a 71. ábrán látható. A martenzit Adolf Martens ( ) a berlini anyagvizsgáló laboratórium igazgatója tiszteletére kapta a nevét. a) b) c) 70. ábra Lemezgrafitos (a), gömbgrafitos (b) és vermikuláris (v. átmeneti grafitos) szövet Martenzit Az előzőekben láttuk, hogy a lehűtéskor az egyéb ötvözőt nem tartalmazó acélban és öntöttvasban az ausztenit 727 C-on még éppen létezhet (ekkor a C-tartalma nem lehet más, csak az eutektoidos koncentrációnak megfelelő 0,76%). Ennél kisebb hőmérsékleteken viszont az ausztenitnek át kell alakulnia ferritté, a ferritben oldhatatlan karbonnak pedig cementitté. Ezt a lassú hűtésnél, valamint a 727 C-tól nem sokkal kisebb hőmérsékleteken végbemenő folyamatot nevezzük perlites átalakulásnak, amely egy jellemző típusa a diffúziós átalakulásoknak. Ugyanakkor egészen más jellegű átalakulással tűnik el az ausztenit abban az esetben, ha a lehűtés sebessége meghalad egy kritikus értéket. 71. ábra Martenzit szövetképei (fent: Osmund, 1901.) Bénit Tulajdonságait tekintve a perlit és a martenzit közé sorolható, tehát a szilárdsága nagy, de nem olyan törékeny, mint a martenzit. Nevét E. C. Bain tiszteletére kapta. Figyelembe kell venni azt, hogy az ausztenit allotrop átalakulásának megkezdődése is és lezajlása is időt vesz igénybe, s emiatt a túlhűtött ausztenit hosszabb ideig is létezhet, mielőtt perlitté alakulna. 72. ábra Bénittűk (sötét) martenzittel (világos) körbevéve 35. oldal

5 4.2. Az alapvető öntészeti módszerek Az öntészet az alakadó technológiák egyike. Alapelve az, hogy az elkészíteni kívánt alkatrész alakjával pontosan megegyező minta (amely lehet fém, fa, viasz stb.) segítségével elkészítenek egy formát, és ezt a formát kitöltik a megolvasztott fémmel, amely a formában szilárdul meg. A vasöntészeti ipar az öntöttvasból és acélból készülő öntvények előállítását végzi, a világtermelés az ezredfordulón kb. 65 millió tonna volt. Az öntészeti módszereket egyszerűen lehet csoportosítani a formázási és öntési módszerek alapján: Osztott formák Homokformák: homok + kötőanyag. Héjformák: a formázóanyag (homok + kötőanyag) mennyisége jelentősen csökken. Fémformák (kokilla): többször felhasználható, szemben az összes többi formával. Kerámiaformák. Osztatlan formák Centrifugálöntés (pörgetőöntés) 73. ábra. Precíziós öntés v. viaszveszejtéses öntés, lépéseit a 75. ábra vázolja. Különleges formák (rugalmas, kiégő hab). A formakitöltés módja Gravitációs öntés (74. ábra), pörgetőöntés (73. ábra), nyomásos öntés ábra A precíziós öntés lépései: 1 Viaszminta sajtolása a fémformában, 2 Viaszminták bokrosítása, 3 Többszöri bemártás finom kerámiaszemcséket tartalmazó emulzióba, szárítás, 4 Viasz kiolvasztása forró vízben, 5 Fémolvadék öntése a kerámiaformába, 6 A kerámiahéj széttörése, 7 A darabok levágása a bokorról, 8 Készre munkálás Kiszorításos öntés (squeeze casting), lépéseit vázlatosan a 76. ábra szemlélteti. Tixotrop öntés v. félszilárd öntés. Vákuumos öntés, 77. ábra. 73. ábra A horizontális pörgetőöntés vázlata 76. ábra A kiszorításos öntés vázlata 74. ábra Formakészítés és a kiöntött forma Az öntészethez és jó néhány más tananyagrészhez kapcsolódóan a tanszéki honlapról letölthetők segédletek: oktatás a Fémek technológiája c. tantárgy letölthető anyagai között. 77. ábra A vákuumos öntés vázlata 36. oldal

6 Anyagismeret 4.3. Az öntöttvasak típusai, jellemző tulajdonságai és felhasználási területe Az öntöttvas a 2,1%-nál több karbont, ezenkívül számos szokásos ötvöző- és szennyező elemet tartalmazó többalkotós vasötvözet. Az ún. szürkeöntöttvas az Fe-C (stabil vagy egyensúlyi) rendszerben, az ún. fehéröntöttvas pedig a metastabil Fe-Fe 3 C rendszerben kristályosodik: lásd a 64. ábrát. A karbonnnak az öntöttvasban alkotott fázisa grafit avagy vas-karbid a hűtés sebességétől és az ötvözőktől függ. A kétféle elnevezés a töretfelület sötétszürke (grafitos), ill. ezüstfehér (vas-karbid) színe miatt alakult ki. Az öntöttvasak szövetszerkezetét egyrészt a T telítettségi fokkal, másrészt pedig a szövetelemek típusaival jellemzik: T > 1 hipereutektikus, T = 1 eutektikus, T < 1 hipoeutektikus. C T = 4,26 0,31Si + 0,27Mn 0,3P C Si 4,3 0,3( + P) befolyásolja. Az öntöttvasak tulajdonságai a falvastagságtól erősen függnek. A lemezgrafitos öntöttvas előnyei (az acélhoz viszonyítva): - jobb önthetőség (kisebb öntési hőmérséklet, kisebb zsugorodás) - jó nyomószilárdság, - jó rezgéscsillapító képesség, - jól forgácsolhatóság, - jó kopásállóság, - jó hővezető képesség és hőállóság, - korrózióállóság (pl. talajba fektetett csővezetékek), - olcsó. A nagyon nagy méretű alkatrészek gyártása terén jelentős szerepet kap az öntési technológia, amelyre néhány példát mutat a 79. ábra. Az öntöttvasak szövetszerkezetének összetevői egyszerűen meghatározhatók a Greiner Klingenstein-diagram alapján: a C és a Si összege, valamint a falvastagság közötti összefüggés alapján jellemzi a várható szövetet (78. ábra). (C + Si) mennyisége [%] I. II. I. - Fehérvas II. - Vegyes szövetû vasak III. - Perlites szürkevas IV. - Ferrit-perlites szürkevas V. - Ferrites szürkevas III. IV Falvastagság [mm] 78. ábra A Greiner Klingenstein-diagram V Az egyes öntöttvasfélék tulajdonságai Lemezgrafitos öntöttvas A mechanikai tulajdonságok (szilárdság, rugalmassági modulus stb.) annál jobbak, minél kisebb a grafit mennyisége (T kicsi), minél egyenletesebb a grafitlemezek eloszlása és kisebb a mérete. Ezeket az öntési hőmérséklet, a T telítettségi fok és a lehűlési sebesség jelentősen 79. ábra Lemezgrafitos öntöttvasból készített termékek 37. oldal

7 Anyagismeret A gömbgrafitos öntöttvas A gömbgrafitos öntöttvas előállításának ipari méretű módszerei az 1940-es évektől kerültek bevezetésre. Magyarországon az 1950-es években eredményesen oldották meg a gömbgrafitos öntöttvasak előállítását (Gillemot László profeszszor vezetésével a BME Mechanikai Technológia Tanszék). A gömbgrafitos öntöttvasak a nagy szilárdság (folyáshatár) mellett jelentős szívóssággal (nyúlási) is rendelkeznek (A 5 =2 17%). Forgattyús tengely Fogaskerék, átmérője 6 m az oxidáló atmoszférában izzítva előállított fehér temperöntvényekre és a semleges atmoszférában hőkezelt, ún. fekete temperöntvényekre. A tempervas az oxidáló közegben dekarbonizálódik: a szén kiégése az öntvény felületén kezdődik és halad befelé. A temperálás vékonyfalú (3-15 mm) gyártmányoknál hatásos (pl.: csőszerelvények stb.). A hőkezelést védőgázban végezve az öntvény törete sötét, ezért az ilyen öntvényeket fekete temperöntvénynek nevezzük. A cementit a hőkezelés hatására temperszénné alakul. A fehér és a ferrites fekete temperöntvények a mechanikai tulajdonságok alapján növelt szilárdságú szívós öntöttvasak. Felhasználásuk ott indokolt, ahol a kovácsolás a termék bonyolultsága miatt túl költséges. A temperöntvények a jó szilárdság mellett jelentős szívóssággal is rendelkeznek. Mezőgazdasági és textilipari gépek, közlekedési eszközök alkatrészeiként alkalmazzák. Temperöntvényből készülhetnek a gépjárművekben a fárasztó és/vagy dinamikus igénybevételnek kitett hajtórudak, motor-, sebességváltómű-, tengelykapcsolóház, bütykös- és forgattyús tengelyek stb. A perlites temperöntvények kopásállósága kedvező, amelyre a lánchajtások elemeinél van szükség. A vasöntészeti anyagok alapjellemzőit hasonlítja össze az 5. táblázat (az acélöntvények tárgyalása nem része a tananyagnak). Tulajdonság Gömbgrafitos Temperöntvény Lemezgrafitos Acélöntvény Fehérvas Önthetőség Megmunkálhatóság Rezgéscsillapítás A Toyota egyik modelljének gömbgrafitos öntvény alkatrészei 80. ábra Gömbgrafitos öntöttvasból készített termékek Temperöntvények A temperöntvények alapanyaga a tempervas: ez fehérvas, melyben a karbon (2,2 3,4%) kizárólag kötött formában, lédeburit és perlit szövetben van jelen. A cementit maradéktalan elbontását hőkezelés biztosítja ( temperálás ), ennek módjától függően a temperöntvényeket 2 nagy csoportra oszthatjuk: Felületkeményítés Young-modulus Ütésállóság Korrózióállóság Szilárdság/tömeg Kopásállóság Gyártási költség Kiváló Nagyon gyenge 5. táblázat A vasöntvények alaptulajdonságai 38. oldal