MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK Dr. Balogh András Dr. Schäffer József Dr. Tisza Miklós Szerkesztette: Dr. Tisza Miklós Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar KÉSZÜLT A HEFOP-3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 SZ. PROJEKT TÁMOGATÁSÁVAL MISKOLC, 2007. Miskolci Egyetem. Minden jog fenntartva.
Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK Dr. Balogh András Dr. Schäffer József Dr. Tisza Miklós Szerkesztette: Dr. Tisza Miklós Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar KÉSZÜLT A HEFOP-3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 SZ. PROJEKT TÁMOGATÁSÁVAL MISKOLC, 2007.
TARTALOMJEGYZÉK 1. ELŐSZÓ 9 2. HŐKEZELÉS 11 2.1. A hőkezelő eljárások általános alapjai 11 2.1.1. A hőkezelés szerepe a gyártástechnológiában 11 2.1.2. A hőkezelés definíciója és hőmérséklet-idő diagramja 11 2.1.3. A hőkezelő eljárások osztályozása 12 2.1.4. Hőátvitel hőkezelésnél 13 2.1.5. Anyagátvitel hőkezelésnél 17 2.1.6. Sajátfeszültségek, méret és alakváltozások hőkezelésnél 20 2.1.7. Hőkezelő berendezések 23 2.2. Izzítások 32 2.2.1. Feszültségcsökkentő izzítás 32 2.2.2. Újakristályosító izzítás 33 2.2.3. Szferoidizáló izzítás 34 2.2.4. Normalizálás 36 2.2.5. Teljes lágyítás 37 2.2.6. Izotermás lágyítás 38 2.3. Keménységnövelő hőkezelések 38 2.3.1. Edzés 38 2.3.2. Felületi edzés 44 2.4.1. Nemesítés 50 2.4.2. Bainites hőkezelés 53 2.5. Termokémiai kezelések 54 2.5.1. Nitridálás 55 2.5.1.1. A nitridréteg szerkezete és tulajdonságai 55 2.5.1.2. A nitridálás technológiája 58 2.5.2. A betétedzés technológiája 63 3. KÉPLÉKENYALAKÍTÁS 73 3.1. A képlékenyalakítás fogalma, rövid történeti áttekintése 73 3.2. A képlékenyalakítás helye és szerepe a mechatronikai alkatrész gyártásban 74 3.3. A képlékenyalakítás anyagszerkezeti vonatkozásai 74 3.4. A képlékenyalakítás kontinuum mechanikai alapjai 79 3.4.1. A feszültségi állapot jellemzői és alapösszefüggései 80 3.4.2. A feszültségi egyensúlyi egyenletek 83 3.4.3. Az alakváltozási állapot jellemzői és alapösszefüggései 83 3.4.4. A térfogat-állandóság tétele 86 3.4.5. A folyási feltételek 87 3.4.5.1. A Tresca-St. Venant folyási feltétel 88 3.4.5.2. A Huber-Mises-Hencky folyási feltétel 90 3.4.6. Anyagtörvények, anyagmodellek 92 3.4.7. Az alakváltozás ideális munkája 97 3.5. A képlékenyalakítás technológiája 100 3.5.1. Lemezalakító eljárások 100 5
MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK TARTALOMJEGYZÉK 3.5.1.1. A lemezalakítás osztályozása 101 3.5.1.2. A lemezalakítás anyagai 101 3.5.1.3. Anyagszétválasztó műveletek Vágás-lyukasztás 102 3.5.1.3.1. Ollón végzett vágások technológiája 105 3.5.1.3.2. A kivágás-lyukasztás technológiája 109 3.5.1.3.3. A kivágás-lyukasztás szerszámai 114 3.5.1.4. Hajlítás 121 3.5.1.4.1. A hajlítás alakváltozási és feszültségi állapota 121 3.5.1.4.2. A hajlítás erő- és nyomaték szükséglete 125 3.5.1.4.3. A hajlítás szerszámai 128 3.5.1.5. A mélyhúzás 131 3.5.1.6. A falvékonyítás nélküli mélyhúzás feszültségi állapotának elemzése 140 3.5.1.7. A falvékonyítás nélküli mélyhúzás szerszámtípusai 144 3.5.1.8. Mélyhúzható anyagok és vizsgálatuk 145 3.5.2. Térfogatalakító eljárások 149 3.5.2.1. Zömítés 149 3.5.2.1.1. A zömítés alapesetei 149 3.5.2.1.2. Hidegzömítés 151 3.5.2.2. Redukálás 162 3.5.2.3. Folyatás 164 3.5.2.3.1. Folyató eljárások 164 4. HEGESZTÉS 173 4.1. A hegesztés helye a kötéstechnológiákban 173 4.2. A hegesztett kötés és részei 174 4.3. Bevezetés a hegesztés elméleti alapjaiba 174 4.3.1. A hegesztéstörténet rövid áttekintése 174 4.3.2. A hegesztés helye a gyártóeljárások között 175 4.3.3. A hegesztés definíciója 176 4.3.4. A hegesztőeljárások rendszerezése 176 4.3.4.1. Elsődleges osztályozás a sajtolóerő-igény szerint 176 4.3.4.2. A hegesztőeljárások további csoportosítása 177 4.3.5. A hegesztés hőforrásai 179 4.3.5.1. A foltszerű hőforrások jellemzői 179 4.3.5.2. A hegesztéshez használt hőforrások 181 4.3.6. A hozaganyag hevítése, megolvasztása és átvitele a hegfürdőbe 183 4.3.6.1. A hozaganyagok hevítése ömlesztő hegesztéseknél 183 4.3.6.2. Az anyagátvitel lehetséges módjai ívhegesztéskor 184 4.3.6.3. Az anyagátvitel mennyiségi jellemzői 185 4.3.7. A hegesztendő tárgy helyi hevítése és megolvasztása 186 4.3.7.1. A hegfürdő alakja 186 4.3.7.2. A hegfürdő méretei 187 4.3.7.3. A hegfürdő létideje 188 4.3.7.4. A hegfürdő hőmérséklete 188 6
TARTALOMJEGYZÉK MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK 4.3.8. A hegfürdőben végbemenő fizikai-kémiai folyamatok 188 4.3.9. A hegfürdő kristályosodása 189 4.3.9.1. Kristályosodási repedések képződése a varratban 189 4.3.9.2. A hőhatásövezet, mint a szilárd fázisban végbemenő fémtani folyamatok következménye 192 4.3.9.3. A hőhatásövezet zónáinak jellegzetes tulajdonságai 194 4.4. A legfontosabb ömlesztőhegesztő eljárások 194 4.4.1. Az ívhegesztések elméleti alapjai 195 4.4.1.1. A villamos ív, mint az ívhegesztések hőforrása 195 4.4.1.2. Az ív hosszanti szerkezete 198 4.4.1.3. Az ív hosszanti potenciáleloszlása 198 4.4.1.4. Az ívfeszültség nagysága 200 4.4.1.5. Összefüggés az ívfeszültség és a hegesztő áramerősség között: a statikus ív jelleggörbe 200 4.4.1.6. Az ívkarakterisztika befolyásolása technológiai eszközökkel 201 4.4.1.7. A villamos ív átlagos hőmérséklete és hőmérsékleteloszlása 202 4.4.2. Az ipari gyakorlat szempontjából lényeges ívhegesztő eljárások 202 4.4.2.1. Bevontelektródás kézi ívhegesztés 203 4.4.2.2. Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés 212 4.4.2.3. Semlegesvédőgázas, volfrámelektródos ívhegesztés 222 4.4.2.4. Plazmaívhegesztés 233 4.4.3. Sugárhegesztő eljárások 239 4.4.3.1. Lézersugárhegesztés 239 4.4.3.2. Elektronsugárhegesztés 246 4.5. Villamos ellenálláshegesztés 247 4.5.1. Rövid történeti áttekintés 247 4.5.2. Az ellenálláshegesztések rendszerezése 248 4.5.3. Az ellenálláshegesztés elméleti sajátosságai 250 4.5.3.1. Az ellenálláshegesztések hőforrása 250 4.5.3.2. Az ellenállásponthegesztés energiaforrása 252 4.5.3.3. Felülettisztítás 254 4.5.3.4. A sajtolóerő szerepe a hegesztésnél 255 4.5.3.5. Az ellenálláshegesztések védelme a levegő gázai ellen 256 4.5.4. Ellenálláshegesztő eljárások 256 4.5.4.1. Ellenállásponthegesztés 256 4.5.4.2. Az ellenálláshegesztés alapváltozatai 256 4.5.4.3. Dudorhegesztés 272 4.5.4.4. Vonalhegesztés 277 7
MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK TARTALOMJEGYZÉK 8
1. ELŐSZÓ A kétlépcsős (BSc, MSc) műszaki képzés első lépcsőjének bevezetését az Oktatási Minisztérium a különböző akkreditált szakok tananyagainak elkészítésére kiírt fejlesztési pályázatokkal is segíti. A hazai felsőoktatási intézményekben folyó Mechatronikai képzés tananyagfejlesztésére kiírt pályázatot a Győri Széchenyi István Egyetem által vezetett, több intézményből álló konzorcium nyerte el. Ennek keretében több más tankönyv megírásával együtt a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kara a Mechanikai Technológiák témaköréhez készít a konzorcium tagjai, és igény szerint más felsőoktatási intézmények által is felhasználható tankönyvet. A tankönyv elsődleges célja az, hogy megismertesse a hallgatókat a legfontosabb mechanikai technológiákkal, azok elméleti alapjaival, technológia folyamataival és berendezéseivel, ezzel olyan alapvető mérnöki alapismereteket biztosítva, amelyek egyetlen praktizáló mérnök ismerettárából sem hiányozhatnak. Ez a koncepció és tárgyalási mód megegyezik azzal, amit a Mechanikai Technológiai Tanszék tankönyvírási programjainál az eddigiekben is alkalmaztunk. A technológiai eljárások ismertetését a vonatkozó elméleti alapok rövid összefoglalása előzi meg és az egyes eljárásokhoz szorosan kapcsolódó példák követik. A Mechanikai Technológiák fogalomkörébe a különféle alakító és alakadó eljárások (képlékenyalakítás, öntészet, porkohászat, műanyag-feldolgozás), a kötéstechnológiák (elsősorban a hegesztés és rokon eljárásai), valamint a termikus, termokémiai és termo-mechanikai kezelések (ezen belül elsősorban a gépipari alkalmazás szempontjából legfontosabb hőkezelő eljárások és felülettechnológiák) tartoznak. Ezen technológiai eljárások kiemelt szerepet töltenek be a műszaki gyakorlatban és ennek megfelelően a hazai műszaki felsőoktatás képzési programjaiban is. A Mechanikai Technológiáknak jelentős szerepe van az anyagfejlesztés, a tulajdonság-optimalizálás, a racionális anyagfelhasználás, a minőségbiztosítás, a műszaki biztonság és a környezetvédelem területén egyaránt. E szerepvállalás nem képzelhető el csak akkor, ha a Mechanikai Technológiák oktatása szoros kapcsolatban van anyagtudományi, kontinuummechanikai, gyártástechnológiai, informatikai és automatizálás-technikai ismeretekkel egyaránt. Ennek figyelembevételével a tankönyv a Mechanika Technológiák anyagtudományi és kontinuum-mechanikai elméleti alapjainak rövid áttekintése után az eljárások klasszikus csoportosításának megfelelően ismerteti a legfontosabb eljárásokat. Az Alakító és alakadó technológiák címszó alatt elsősorban a gépipari alkatrészgyártás szempontjából kiemelt jelentőségű Képlékenyalakítás elméleti alapjaival, a különféle lemezalakító- és térfogatalakító eljárásokkal, valamint ezek gépi berendezéseivel foglalkozunk. A Képlékenyalakítás, amely az egyik legősibb megmunkáló eljárás, napjainkban ismételten reneszánszát éli, amely mindenek előtt az eljárások anyag- és energia-takarékos jellemzőinek köszönhető. 9
MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK BEVEZETÉS A Hegesztés című fejezet a Kötéstechnológiák nélkülözhetetlen kötő- és rokoneljárásait foglalja magába. Ebben a fejezetben a mintegy 5000 éves múltra visszatekintő forrasztások mellett, a 100-150 éves múlttal rendelkező hegesztés és termikus vágás, valamint a ragasztás és termikus szórás eljárásaival kívánunk foglalkozni. A Hőkezelés című fejezetben a hőkezelés általános alapjainak rövid összefoglalását követően, a különféle izzításokkal, a keménységnövelő-, illetve szívósságfokozó hőkezelésekkel, valamint egyes termokémiai kezelésekkel foglalkozunk. A technológiai eljárások ismertetését az eljárások lényegének és berendezéseik működésének megértését jelentősen segítő, gazdagon illusztrált ábraanyag teszi teljessé. A tankönyv a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karán folyó képzéseken túlmenően, a konzorciumi intézményekben és valamennyi hazai műszaki felsőfokú képzést nyújtó intézményben eredményesen hasznosítható a mechanikai technológiák, a hőkezelés, hegesztés és képlékenyalakítás oktatásában. Miskolc, 2007. szeptember A szerzők 10
2. HŐKEZELÉS 2.1. A hőkezelő eljárások általános alapjai 2.1.1. A hőkezelés szerepe a gyártástechnológiában A különféle mechanikus rendszereket gyártó iparágakban a gyártás célja szerint két alapvető terület, az alkatrészgyártás és a késztermék előállítás (szerelés) különíthető el. Az alkatrészgyártás feladata előírt geometriájú, felületminőségű és anyagtulajdonságú alkatrészek gyártása. Az alakadás történhet felépítő (öntés, meleg- és hidegalakítás, hegesztés) vagy leválasztó (különféle forgácsoló és egyes hidegalakító technológiák) eljárások alkalmazásával. A gyakorlat számára igen jelentős alakadó technológiák, a szabályos szerszáméllel végzett forgácsolás (esztergálás, marás, fúrás stb.) és a képlékeny hidegalakítás műszaki illetve gazdasági szempontból eredményes végrehajtása csak meghatározott, jó feldolgozhatóságot biztosító anyagtulajdonságok illetve szövetszerkezet mellett lehetséges. Az alkatrész működése során ható igénybevétel azonban a feldolgozhatóságot biztosító illetve az egyes alakadó technológiáknál kialakuló tulajdonságoktól eltérő anyagtulajdonságokat követel meg. A gyártás során tehát szükség van a vas- és fémötvözet termékek anyagtulajdonságainak változtatására. Ezt a szerepet látja el a hőkezelés. Ebből eredően a hőkezelés a gyártástechnológia integráns része. A hőkezelés során nem célunk az alak és a méretek megváltoztatása ez inkább nem kívánatos kísérőjelenség. Általános feladat a gépészmérnöki gyakorlatban a célnak megfelelő hőkezelő eljárás kiválasztása és adott esetben a választott hőkezelő eljárással és egyéb követelményekkel összhangban álló anyagminőség előírása. Meg kell adni a hőkezelés eredményére vonatkozó előírást és megfelelő szakmai kommunikációt kell tudni folytatni a hőkezelést végrehajtó gyári hőkezelő üzemmel, vagy bér-hőkezelő üzemmel. 2.1.2. A hőkezelés definíciója és hőmérséklet-idő diagramja A mérnöki gyakorlatban a hőkezelés vas- és fémötvözetek előírt anyagtulajdonságait biztosító technológia, amit a hőmérséklet célszerű változtatásával érnek el. Ehhez egyes eljárásoknál a cél eléréséhez egyéb, kémiai, mechanikai és fizikai hatások is társulnak. A tulajdonságváltoztatás alapja a célnak megfelelő szövetszerkezet létrehozása, egyensúlyihoz közeli vagy éppen attól jelentősen eltérő szerkezetek kialakítása. Ebből következően a hőkezelés elméleti alapját mindenekelőtt a metallográfia egyensúlyi és nem egyensúlyi átalakulásokra vonatkozó elmélete jelenti. 11
MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK HŐKEZELÉS A fentiekből következően minden hőkezelő eljárás a hőmérséklet változás menetét megadó ún. hőmérséklet-idő (T-t) diagrammal jellemezhető. Egy hőmérséklet-idő ciklus az előírt hőmérsékletre való felmelegítésből, hőntartásból és a kiinduló hőmérsékletre való lehűtésből áll. Az egyes eljárások egy vagy több ilyen ciklusból tevődnek össze. Egy ilyen hőmérséklet-idő diagramot a 2.1. ábra szemléltet a jellegzetes szakaszok feltüntetésével. T, o C Felület Mag Felmelegítés Melegítés Átmelegítés Hőntartás Hűtés t, min 2.1. ábra. A hőkezelési ciklus hőmérséklet-idő diagramja a jellegzetes szakaszok feltüntetésével A 2.1. ábrának megfelelően az alábbi technológiai adatok különböztethetők meg: T m, [ C]: melegítési hőmérséklet, t m, [h vagy min], melegítési idő: a darab teljes átmelegedéséhez szükséges idő, t mf, [h vagy min], felmelegítési idő: a darab felületének a melegítési hőmérsékletre hevítéséhez szükséges idő, t mk, [h vagy min], hőkiegyenlítési vagy átmelegítési idő: a darab magjának a melegítési hőmérsékletre hevítéséhez szükséges idő, miután a 2.2. ábra. A technológiai adatok megadása egyszerűsített hőmérséklet-idő diagramon felület elérte a kívánt hőmérsékletet, t t, [h vagy min], hőntartási idő: a darab állandó hőmérsékleten tartásának időtartama, t h, [h vagy min], hűtési idő: a darab teljes keresztmetszetben való lehűtéséhez szükséges idő. Értelemszerűen: t m =t mf +t mk A hőkezelési technológia tervezésekor ki kell választani a megfelelő hevítő berendezést és a T m melegítési hőmérséklet ismeretében meg kell határozni a t m melegítési időt, valamit a t t hőntartási időt. Hűtésnél elsődleges a cél elérését biztosító hűtőközeg kiválasztása és csak szükség esetén kell a hűtési időt megadni. A technológiai adatok megadásához elegendő a hőmérsékletváltozást ténylegesen leíró függvény használata helyett egy egyszerűsített ábrázolás, egyenes szakaszokból felépített diagramon amint azt a 2.2. ábra szemlélteti. A hőkezelő eljárások ismertetésénél van jelentősége az elvi hőmérséklet-idő diagramnak. Ez egy szintén egyszerűsített formában megrajzolt, a kérdéses hőkezelő eljárás végrehajtása szempontjából fontos elméleti értékeket és általános jellemző adatokat feltüntető diagram. 2.1.3. A hőkezelő eljárások osztályozása A hőkezelő eljárások számos szempont alapján osztályozhatók. Egy alapvető szempont az alkalmazott hatás. Eszerint megkülönböztethetők: termikus eljárások, 12
HŐKEZELÉS MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK termo-kémiai eljárások, termo-mechanikus eljárások, termo-fizikai eljárások. A fenti eljárások közül a termikus és a termokémiai eljárások elterjedtek. A különféle fémötvözetek felhasználásával készülő gyártmányok anyaga túlnyomórészt vasötvözet, ezen belül is acél. Az acéloknál széles körben alkalmazott termikus eljárások praktikusan az elérendő tulajdonságok szerint osztályozhatók: megmunkálhatóságot javító hőkezelések (izzítások): feszültségcsökkentő izzítás, újrakristályosító izzítás, szferoidizáló izzítás, teljes lágyítás, normalizálás, izotermás lágyítás, ausztenites lehűtés, igénybevétel szerinti tulajdonságokat biztosító hőkezelések: keménység ill. szilárdságnövelő hőkezelések: * térfogati edzés, * felületi edzés, szívósságfokozó hőkezelések: * nemesítés, * bainites hőkezelés, * szabályozott hűtésű szívósságfokozó hőkezelés. A speciális jellegzetességek miatt külön szokás tárgyalni a szerszámacélok, a különleges acélok, az öntöttvasak és a nem vas fémek hőkezelését. A hőkezeléseket jellegzetes gyártmányok szerint is szokás osztályozni: ennek megfelelően beszélhetünk például rugók, fogaskerekek, hegesztett szerkezetek, stb. hőkezeléséről. Mivel az adott szakterülethez kapcsolódó hőkezelési alapismeretek nyújtása a cél, az acéloknál az alkatrészgyártás során széles körben alkalmazott termikus és termokémiai eljárásokat ismertetjük. Előbbieket két itt kevésbé fontos eljárást elhagyva a gépészmérnök szempontjából legcélszerűbb, elérendő tulajdonságok szerinti csoportosításban. A termokémiai eljárások osztályozására később visszatérünk. A szakterület jellegzetes igényeinek megfelelően kitérünk a tömegben gyártott kis méretű alkatrészek hőkezelésének kérdéseire. 2.1.4. Hőátvitel hőkezelésnél A hőkezelési ciklus első lépésében a darabokat fel kell melegíteni az előírt melegítési hőmérsékletre. A melegítéshez szükséges hő forrása lehet: kémiai reakcióhő (gáztüzelés), villamos áram hőhatása: közvetett ellenállás hevítés (hőtermelés a kemence munkaterének falán elhelyezett ellenállás fűtőelemekkel), közvetlen ellenállás hevítés (hevítés a darabon átfolyó árammal), indukciós hevítés, nagy energiájú sugárzás (lézer- vagy elektronsugár hevítés). A leggyakrabban gáztüzelésű vagy villamos fűtésű kemencében hevítik a darabokat, amikor is a test felületén keresztül történik a hőátadás, a hő továbbítása pedig hővezetés révén valósul meg. Hasonló a helyzet a hűtésnél. 13
MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK HŐKEZELÉS A melegítésnél a hőátadás során a hővezetés részvétele elhanyagolható, ez alapvetően a konvekció és a hősugárzás révén megy végbe. 300 C alatt a konvekció van túlsúlyban. A hőmérséklet növekedésével a sugárzás részaránya gyorsan nő, 800 C-on kb. 80 %. A konvekciónál a hőátadás a hőátadó közeg (gáz, folyadék) áramlása révén jön létre. Ez befolyásolható az áramlási sebességgel és gáz hőátadó közeg esetén a nyomással. Az áramlási sebesség a kemencébe beépített ventillátorokkal növelhető. Ennek különösen a kisebb hőmérsékleti tartományban használt kemencéknél pl. megeresztő kemencéknél van jelentősége. A nyomás növelését a korszerű vákuumkemencékben végzett gázhűtésnél használják ki. A viszonyokat befolyásolja még a hőátadó közeg halmazállapotának esetleges változása is (gőz képződés víz vagy olaj hűtésnél; lásd az edzésnél). A hősugárzással átvitt hőmennyiség független a darabot körülvevő közegtől, vákuumban is létrejön. Jelentősen befolyásolja a felület állapota, ún. feketeségi foka. Így a revés felületű darab gyorsabban melegszik, mint a fémes felületű. A teljes hőátvitel a részfolyamatokra vonatkozó hőátadási tényezők összegeként az α hőátadási tényezővel adható meg: 2 [ ] α = αv + αk + αs, W/m C. (2.1) A hőáram-sűrűség, a felületegységen, időegységben átvitt hőmennyiség, a Newton-féle hőátadási képlettel számítható: ( ), [ W/m 2 ] j T T = α k, (2.2) ahol T k, [ C] a környezeti hőmérséklet, T, [ C] a felület pillanatnyi hőmérséklete. Az α pontos értéke, hőmérsékletfüggése csak kísérletileg határozható meg. Emiatt gyakran az α felvett, közepes értékeit veszik alapul a kérdéses hőmérséklettartományban. A melegítési idő meghatározásánál alkalmazott módszer a feladat jellegétől függ. Sorozatgyártásnál, egy értékes darab hőkezelésnél gondosabban kell eljárni, mint egy egyszerű egyedi darabnál. A darabban kialakuló hőmérsékletmező és így a melegítési idő számítható a kezdeti és peremfeltétek ismeretében a hővezetés differenciálegyenletéből. Egy dimenziós hővezetésnél, pl. lemez esetén a Fourier egyenlet az alábbi alakot ölti: T T cρ = λ + w( x, t) t x x, (2.3) ahol: c, [J/kg C] fajhő, ρ, [kg/m 3 ] sűrűség, λ, [W/m C] hővezető képesség. Az egyenlet jobb oldalán a w az úgynevezett forrássűrűség, a belső hőforrás vagy elnyelő által időegységben és térfogategységben felszabadult illetve elnyelt energia. Átalakuló acéloknál ez az átalakulási hő figyelembevételét jelenti. A kezdeti feltétel rendszerint t = 0, T = T o egyenletes hőmérséklet. Ha adott a környezeti hőmérséklet és a hőátadási viszonyok utóbbi mint hőátadási tényező a peremfeltétel: T λ = α( Tk T) x, (2.4) x= S 14
HŐKEZELÉS MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK ahol: s, [m] a lemez félvastagsága. A hővezető képesség jelentős mértékben függ az ötvözet kémiai összetételétől és a hőmérséklettől, amint ezt a 2.3. ábra szemlélteti. Kisebb hőmérséklettartományban az erősen ötvözött acélok igen rossz hővezetők, amit a melegítési technológia tervezésénél feltétlenül figyelembe kell venni. 900 C körül a különböző ötvözetek hővezető képessége már nagyjából egyforma. λ, W m o C 80 60 Színvas 40 20 Ötvözetlen acél Ötvözött acél Erősen ötvözött acél 0 200 400 600 800 1000 T, o C 2.3. ábra. A hővezető képesség változása a hőmérséklet függvényében különféle acélötvözeteknél A Fourier egyenlet analitikai megoldása csak egyszerűsítő feltételek mellett lehetséges, ha a hővezető képességet függetlennek tekintjük a hőmérséklettől és elhanyagoljuk az átalakulási hőt. Ezek, a gyakorlat igényeit sokszor kielégítő, közelítő megoldások egyszerű geometriájú testekre (lemez, gömb, henger) táblázatok vagy diagramok formájában a szakirodalomban rendelkezésre állnak. Egyszerűbben kezelhető számítógépes változatok is hozzáférhetők. Ha rendelkezésre állnak az egyenletben szereplő fizikai mennyiségek a hőmérséklet függvényében, pontosabb megoldást tesz lehetővé a végeselemes módszer. Ezt alkalmazó számítógépi szoftverek szintén széles körben hozzáférhetők. A melegítési idő egyszerűbb meghatározását teszi lehetővé az empirikus adatok alkalmazására épülő eljárás. Ilyen adatok tekintetében szintén a szakirodalomra utalunk. A darab átmelegedése a látható hősugárzás tartományában szemrevételezéssel becsülhető. Ha a darabon sötétebb foltok nincsenek és színe a kemence falazatának színével körülbelül azonos, a darab felmelegedett. A melegítési idő gazdasági, de egyéb szempontok miatt is a lehető legrövidebb legyen. A melegítési idő csökkentését a darab egyenlőtlen melegedése korlátozza, mivel az egyenlőtlen hőtágulásra és ebből következően feszültségek keletkezésére vezet. Ez a darab megrepedését, tönkremenetelét is okozhatja. A darab méretének és ötvözöttségének (lásd 2.3. ábra) növekedésével nő a repedési veszély. Erre különösen az erősen ötvözött szerszámacéloknál és korrózióálló acéloknál kell tekintettel lenni. Ilyenkor hosszabb melegítést illetve egy vagy több lépésben végrehajtott előmelegítést alkalmazunk. Ez utóbbi a gazdaságosabb és előmelegítő kemencék vagy folyamatos működésű kemencénél előmelegítő zónák alkalmazásával valósítható meg. Ezeket a melegítési változatokat illetve a darabban kialakuló hőmérsékletkülönbséget a 2.4. ábra szemlélteti. 15
MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK HŐKEZELÉS T k T k T, o C T, o C T, o C T ek2 T ek1 T F T k T F TF a b c T M ΔT T M T M ΔT ΔT t, min t, min t, min. 2.4. ábra. Hevítési módszerek a) behelyezés T k hőmérsékletű kemencébe; b) kemencével együtt való melegítés; c) két lépcsős előmelegítés alkalmazása Tömegben gyártott, kisméretű, ömlesztve hőkezelt alkatrészek esetében az egyenletes melegedést az adag átforgatásával illetve a vékony rétegezéssel érhetjük el (lásd később a megfelelő kemencetípusoknál). A T m melegítési hőmérsékletet ami hőkezelő eljárás és a kezelt acélminőség függvénye az Fe-Fe 3 C állapotábrából, szabványok függelékeiből, gyári katalógusokból stb. vesszük. Nagy hevítési sebességgel végrehajtott eljárásoknál (indukciós edzés, lángedzés stb.) nélkülözhetetlen az ausztenitesítési diagramok használata. Miután a darab magrésze is elérte a kívánt hőmérsékletet, számítjuk a hőntartást. Ennek során mennek végbe ill. fejeződnek be a hőkezelés jellegének megfelelő fémtani folyamatok. A hőntartás idejét tapasztalati adatok, kísérleti eredmények vagy számításokon nyugvó összefüggések alapján (pl. termokémiai kezeléseknél) határozhatjuk meg. Konkrét értékeket az egyes eljárások ismertetésénél adunk meg. 2.1. táblázat Hűtési mód α, W/m 2, C Kemence 15 Nyugvó levegő 30 Áramló levegő 40 Sűrített levegő 70 Levegő-víz keverék 520 Edzőolaj 580 Víz 3500 A hűtés tervezésénél szintén az alkalmazandó hőkezelési eljárásból és anyagminőségből kell kiindulni. A szükséges hűtési sebességet leggyakrabban a folyamatos hűtésű C-görbéből határozzuk meg. A gyakorlati kivitelezéshez az alábbi hűtési módok állnak rendelkezésre: folyadékba (víz, edzőolaj, vizes polimer oldat) való bemártás, folyadéksugár, áramló vagy nyugvó gáz, kemence. A 2.1. táblázat az α hőátadási tényező tájékoztató értékeit tünteti fel különféle hűtési módokra. Az adott körülmények között szükséges hűtési sebességet biztosító hűtési mód, vagy a szokásos hűtési móddal elérhető hűtési sebesség kiválasztásánál illetve meghatározásánál a melegítési idő meghatározásánál ismertetett eljárások alkalmazhatók. A számítás a sok befolyásoló tényező illetve ezek korrekt számba vehetősége miatt rendszerint problematikus. Az empirikus adatokon nyugvó segédletek itt is jól használhatók gyors tájékozódásra. 16
HŐKEZELÉS MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK 2.1.5. Anyagátvitel hőkezelésnél A hőkezelés során anyagátviteli folyamatok is végbemennek a darab felülete és környezete között amely lehet nem szándékos, mint például oxidálás, dekarbonizálás levegőn, füstgázban és lehet szándékos a termokémiai kezeléseknél (cementálásnál, nitridálásnál, stb.). A vas oxidálódását a levegőben vagy a füstgázban lévő O 2, H 2 O és CO 2 okozhatja. Hatástalan ilyen szempontból a H 2 és N 2. Az O 2 a vasat folyamatosan oxidálja. Ezzel szemben a H 2 O és CO 2 esetében egyensúlyba jutó reakció zajlik. A reakciók és egyensúlyi állandóik: ph2 Fe + H 2O FeO + H 2 K1 = = f ( T ) p, (2.5) HO 2 pco Fe + CO2 FeO + CO K2 = = f ( T ) p. (2.6) A képletekben szereplő p i az egyes gázkomponensek parciális nyomása. A p i a gáz összetételből számítható az alábbiak szerint: Vi pi = rp i, ri = V, (2.7) ahol r i = 1; p p i = ; V V i =. (2.8) A (2.7) és (2.8) kifejezésekben p i, [bar] valamely gázkomponens parciális nyomása, p, [bar] a gázkeverék eredő nyomása, r i térfogatviszony, V i, [m 3 ] valamely gázkomponens parciális térfogata, V, [m 3 ] a gázkeverék teljes térfogata. A 2.2. táblázatban néhány elemre (karbon, nitrogén, oxigén) az anyagátvitel irányát adtuk meg az eljárás megnevezésével acélok hőkezelésénél. 2.2. táblázat CO2 Elem Anyagátvitel iránya Eljárás megnevezése Karbon Nitrogén Oxigén Nincs Nincs Nincs Cementálás Dekarbonizálás Dekarbonizálás mentes izzítás Nitridálás Denitridálás - Szabályozott oxidáció Redukálás Fényes izzítás 17
MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK HŐKEZELÉS A 2.5. ábra a K 1 és K 2 egyensúlyi állandókat mutatja a hőmérséklet függvényében. 2.5. ábra. A K 1 (a) és K 2 (b) egyensúlyi állandók változása a hőmérséklettel Figyelemre méltó a H 2 -H 2 O és CO-CO 2 atmoszférák eltérő viselkedése hűtésnél. Ha valamely hőmérsékleten egyensúlyi atmoszférában le is hűtjük a darabot első esetben ennek során oxidálódni fog a másik esetben nem. Nagyobb hőmérsékleten FeO (wüstit) képződik a felületen. Ez hűtéskor 570 C-on Fe 3 O 4 - é (magnetitté) alakul át, ami fajtérfogat növekedéssel jár. Emiatt a reve a felületen elcsúszik, könnyen leválik. Az oxidálódás (revésedés) következményei: fémveszteség, nagyobb szerszámkopás, az eltávolítás költségtöbbletet okoz, eltávolítás után is rosszabb a felületminőség, mint az eredeti, méretpontos (pl. hidegalakított) termékeknél a darab selejtté válik. Az acélt dekarbonizáló gázkomponensek a H 2, CO 2 és H 2 O. A dekarbonizáló-karbonizáló reakció egyenletek és egyensúlyi állandóik: pch [ C] + 2 H 4 2 Fe+ CH4 K3 = = f ( T, C) 2 p a, (2.9) H2 2 pco [ C] + CO2 Fe+ 2 CO K4 = f ( T, C) p a, (2.10) CO2 pco ph2 [ C] + H2O Fe+ CO+ H2 K5 = = f ( T, C) p a. (2.11) A képletekben szereplő a C az úgynevezett karbon aktivitási tényező, ami az acél karbon tartalmából határozható meg. Az egyensúlyi gázösszetétel tehát ilyenkor az acél karbon tartalmától is függ. Az Fe-Fe 3 C állapotábrával összefüggésben a felületi rétegben kialakuló karbon eloszlást és szerkezetet T 1 911 C és 911 C>T 2 >723 C hőmérsékletekre a 2.6. ábra mutatja. A Gibbs-féle fázisszabályt adott esetre alkalmazva Sz=2(T, konc.), K=2(Fe,C) a fázisok száma: C C HO 2 F = K + 1 Sz = 2+ 1 2= 1. (2.12) C 18
HŐKEZELÉS MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK a T, o C G x, mm f a x, mm α P C o C o T 2 T 1 > 911 o C γ S 0.8 A 1 = 723 o C C, % C, % C, % 2.6. ábra. A felületi réteg karbon koncentrációja és fázisszerkezete ötvözetlen acél dekarbonizálódásakor T 1 T 2 α E K γ Tehát csak egyfázisú rétegek keletkezhetnek a dekarbonizálódási folyamat során. A felülethez közeledve egyre csökkenő karbon tartalmú ausztenit alakul át lehűléskor. A dekarbonizálódás következményei: csökkent keménységű réteg a felületen, csökkent kifáradási határ, ha a dekarbonizált réteget el kell távolítani, a megnövelt ráhagyás lemunkálása járulékos költség. Készre munkált alkatrészeknél és szerszámoknál, ha az utánmunkálás a geometriánál fogva nem lehetséges vagy nem gazdaságos, méretpontos, hidegalakítással készült termékeknél, kisméretű daraboknál az oxidálódás és dekarbonizálódás szükségszerűen elkerülendő jelenségek. Elhárításuk a kemence munkaterében létrehozott mesterséges atmoszférával, védőgázzal lehetséges. A védőgázok alábbi típusai különböztethetők meg: generátorban földgáz-levegő keverékből előállított védőgázok (endo-, exo-, monogáz), bontóban előállított védőgázok (bontott ammónia, methanol), komprimált vagy folyékony állapotban szállított, szükség esetén helyben kevert gázok (Ar, N 2, H 2, ill. ezek keverékei, N 2, H 2, és N 2 +H 2 szénhidrogén adalékkal, N 2 methanol adalékkal). Hatékony védőatmoszféra továbbá még a vákuum (lásd vákuum kemence). A megfelelő védőgáz kiválasztása komplex feladat. A következő szempontokat kell figyelembe venni: a hőkezelt anyag minősége és az alkalmazott eljárás, a felületminőséggel szembeni követelmények, a hőkezeléshez alkalmazott kemence sajátosságai (gáztömörség, retortás vagy kerámia falazatú kemence stb.), az egyes védőgázfajták költsége, ellátási biztonsága, az üzemben már meglévő berendezések, védőgáz alkalmazások, a személyzet szakképzettsége. A védőgáz alkalmazás során természeten kiemelt jelentősége van az egyes gázkomponensek tulajdonságaiból eredően a biztonsági kérdések (tűz-, robbanás- és fulladási veszély) kezelésének. Néhány példa: nemesíthető szerkezeti acélok edzéséhez endogáz, N 2 +metán, N 2 +methanol alkalmazható; kis karbontartalmú ötvözetlen acélok fényes izzítása exogázban, N 2 +H 2 keve- 19
MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK HŐKEZELÉS rékben (H 2 <5 % esetében nem robbanásveszélyes), N 2 +metán védőgázban végezhető; erősen ötvözött szerszámacélok, gyorsacélok edzéséhez vákuumkemence használata célszerű. A felületi réteg szándékos ötvözését valósítjuk meg a termokémiai kezeléseknél. Ilyenkor a kezelendő darabot úgynevezett reakcióközegbe helyezzük, majd reakció hőmérsékletre hevítjük. A reakcióközeg és a fém reakciórendszert alkot. Szokásos az eljárásokat a reakcióközeg halmazállapota szerint szilárd, folyékony vagy gáz megkülönböztetni. Fontos megjegyezni, hogy a halmazállapottól függetlenül az anyagátvitel mindig gázfázis útján történik. A termokémiai eljárások az alábbiak szerint csoportosíthatók: nem fémes elemeket ötvöző eljárások: karbon (cementálás), nitrogén (nitridálás), bór (boridálás), fémes elemeket ötvöző eljárások: króm (kromálás), alumínium (alitálás), stb., fémes és nemfémes elemeket ötvöző eljárások: króm + karbon (krómkarbid eljárás), stb. A nem fémes és fémes elemekből is lehetséges többkomponensű eljárás keretében többet is ötvözni, például karbon mellett nitrogént is (nitro-cementálás, karbonitridálás). A termokémiai kezeléseknél a teljes anyagátvitel öt részfolyamatban valósul meg: az ötvözőelemet szállító gázkomponens képződése a reakcióközegben, diffúzió a reakcióközegben (szállítókomponens a felülethez, reakciótermékek a felülettől), gáz- fém határfelületi reakciók, az ötvözőelem diffúziója a fémben, reakciók a fémben (szilárd oldat vagy fémes vegyület keletkezése). A termokémiai kezeléseknél a folyamatot rendszerint a diffúzió irányítja. A Fick egyenletből következően a rétegvastagság növekedését ilyenkor az alábbi összefüggés, az úgynevezett parabolikus időtörvény adja meg: x= k t, mm. (2.13) A képletben szereplő k tényező foglalja magába a hőmérséklet hatását és hogy milyen elem milyen ötvözetben diffundál, az időt órában számítjuk. A következőkben a leggyakrabban alkalmazott két termokémiai eljárást, a nitridálást és a betétedzést ismertetjük. 2.1.6. Sajátfeszültségek, méret és alakváltozások hőkezelésnél Sajátfeszültségek alatt egy testben külső erők és nyomatékok hatása nélkül ébredő feszültségeket értjük. Értelemszerűen az eredő erők és nyomatékok zérussal egyenlők. A sajátfeszültségek keletkezése a különféle megmunkáló eljárások elkerülhetetlen velejárója és latens jelenlétük számos következménnyel jár. A megmunkálási folyamat közben keletkező és folyamatosan változó feszültséget belső feszültségnek szokás nevezni, a művelet befejezésekor a darabban kialakuló feszültséget pedig maradó feszültségnek. 20
HŐKEZELÉS MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK A belső feszültség is elérhet olyan szintet, hogy a megmunkálás közben a darab megreped, tönkremegy. Ilyen szempontból fokozott kockázatot jelentenek a gyors hűtést alkalmazó hőkezelési műveletek (edzés). A maradó feszültségek jelenléte az alábbi következményekkel jár: a terhelhetőség változása; a maradó feszültség mint előterhelés szerepel, amire szuperponálódik az igénybevételből származó feszültség; ezt szemléltetik a 2.7. ábra elvi vázlatai fárasztó igénybevételre, különböző eloszlású maradó feszültségek esetében. méret- és alakváltozások a technológiai művelet során, méret- és alakváltozások a további anyagleválasztással járó megmunkálások során, a korróziós viselkedés megváltozása (feszültségkorrózió), fizikai tulajdonságok megváltozása (mágneses tulajdonságok, villamos vezetőképesség, stb.) σ+ σ+ c c a a c+b b Felülettől mért távolság c+b b Felülettől mért távolság σ σ I. II. 2.7. ábra. A maradó és a terhelésből származó feszültségek szuperponálódásának elvi vázlata a kifáradási határ, b maradó feszültség, c terhelő feszültség, c+b eredő feszültség, I az eredő egy tartományban meghaladja a kifáradási határt II az eredő a kifáradási határ alatt marad. A sajátfeszültségek fajtáit a nagyság és irány szerint homogénnek tekinthető tartomány mérete alapján különböztethetjük meg. Ha a tartomány: sok szemcsére terjed ki, makroszkópos, egy szemcsén belüli, mikroszkópos, néhány atomköz méretű, atomos dimenziójú sajátfeszültségnek nevezzük Hőkezelésnél makroszkópos és atomos dimenziójú sajátfeszültségeket különböztetünk meg. Makroszkópos dimenziójú a termikus feszültség és a strukturális feszültség. Atomos dimenziójú sajátfeszültséggel terhelt például a túltelített szilárd oldat martenzit-képződésnél. A termikus feszültségek a darab egyenlőtlen melegedése és hűlése követeztében fellépő egyenlőtlen hőtágulása miatt ébrednek. A 2.8. ábra sematikusan mutatja egy hengeres darab hűtésénél a belső és a maradó feszültség alakulását, abban az esetben ha nincs átalakulás a hűtés során. Ha a belső feszültség a rugalmas tartományban marad maradó feszültség nem keletkezik. 21