EREDETISÉGI NYILATKOZAT

EREDETISÉGI NYILATKOZAT Alulírott: Horváth Miklós; Neptun-kód: HLYBMB a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Gépészmérnök CAD/CAM szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy Gázcementálás Végeselem Szimulációja című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül. Miskolc,...év..hó..nap.. Hallgató

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Gépészmérnöki Szak A GÁZCEMENTÁLÁS VÉGESELEM SZIMULÁCIÓJA Horváth Miklós, HLYBMB 3532, Miskolc Tátra utca 11 Fsz/3.

Tartalomjegyzék Bevezetés... 5 1. A cementálás elméleti háttere... 6 1.1. A cementálás helye a hőkezelő technológiák között... 6 1.2. A cementálás elméleti háttere... 8 1.3. A termokémiai kezeléseknél lejátszódó folyamatok... 11 1.3.1. Adszorbció... 12 1.3.2. Diffúzió:... 15 1.4. A cementálás utáni hőkezelés... 16 1.5. A cementált kéreg jellemzői... 18 1.5.1. A cementált kéreg vastagsága... 18 1.5.2. A cementált kéreg keménysége... 21 1.5.3. A cementáláskor fellépő hibák... 22 2. A cementálás technológiai változatai... 23 2.1. Szilárd fázisú cementálás... 23 2.1.1. A kivitelezés... 24 2.2. Só fürdős cementálás... 25 2.3. Gázcementálás... 27 2.4. Plazmacementálás, vákuumcementálás... 30 2.4.1. A vákuumcementálás... 30 2.4.2. Plazmacementálás, a plazma generálása... 31 2.4.3. Alkalmazási területek... 33 2.4.4. A plazmacementáló kemence... 34 2.4.5. A plazmacementálás előnyei és hátrányai... 35 3. Cementált rétegeknél alkalmazott felületvizsgálati módszerek... 36 3.1. GDOES (ködfény-kisüléses optikai emissziós spektrometria)... 36 3.2. Keménységmérés, micro-vickers... 38 4. Az elvégzett kísérletek során alkalmazott anyagminőség... 41 4.1. Szakirodalmi tapasztalatok a 16MnCr5 anyagminőség cementálásánál... 42 4.1.1. Sófürdős cementálás... 42 4.1.2. Vákuumcementálás... 48 3

5. Az elvégzett kísérletek... 50 5.1. Az alkalmazott technológiai paraméterek... 50 5.2. Keménységmérés... 51 5.2.1. A mért eredmények... 52 5.3. GDOES mérés... 54 6. Visual Environment... 56 6.1. Saját kísérlet szimulációja... 57 6.1.1. A háló elkészítése... 58 6.1.2. Peremfeltételek megadása... 59 6.1.3. A hőkezelő modul, a cementálás paramétereinek megadása... 60 6.2. A 16MnCr5 cementálás szimulációjának az eredményei... 67 6.2.1. A karbon tartalom a munkadarabban... 67 6.2.2. A keménység eloszlása... 68 6.2.3. Szövetelemek mennyisége, eloszlása... 69 6.2.4. A maradó feszültségek... 71 6.2.5. A mért és a szimulációs eredmények összehasonlítása... 73 6.3. Eltérő méretű, azonos formájú munkadarabok C diffúziójának és kialakult keménységének a vizsgálata... 75 6.3.1. A kiválasztott anyagminőség, próbatestek... 75 6.3.2. Hőkezelés... 76 6.3.3. Szakirodalmi eredmények... 78 6.3.4. VEM eredmények... 79 Összegzés... 86 Irodalomjegyzék... 88 4

Bevezetés A műszaki életben és az ipari gyakorlatban is nagyon fontos az olyan gépelemek gyártása, amelyek nem csak statikus vagy dinamikus igénybevételnek tudnak megfelelőképpen ellenállni, hanem a felületen fellépő koptató hatást is jól viselik. Ezek az igénybevételek az alkatrészek keresztmetszetének különböző részein fordulnak elő: a munkadarab magjának, belső részének, szívósnak kell lennie, a dinamikus igénybevételek elviselése érdekében; a kéregnek, felületnek viszont nagy keménységgel kell rendelkeznie. Sajnos a szívósság és keménység a fémes anyagok esetében fordítottan arányosak egymással, a kemény anyag nagyon rideg, így nehezen viseli a hírtelen, dinamikus erőhatásokat. A gyártási és hőkezelési technológiák tervezésénél ezt mindenkép szem előtt kell tartani. A probléma kiküszöbölésére megfelelő hőkezelést vagy felülettechnológiákat lehet alkalmazni. A cementálással ezeket a feltételeket egy műveleten belül tudjuk kielégíteni. A cementálás talán az egyik legrégebbi termokémiai felületkeményítő technológia, már az ókorban is használták, persze akkor még nem voltak tisztában az elméleti hátterével csak tapasztalati alapon dolgoztak. Ekkor még a szilárd fázisú cementálást használták és a cementáló anyag faszén, kőszén vagy állati eredetű bőr volt.alényeg már ekkor is az volt,hogy az izzítás során diffúzióra képes C keletkezzen. Később kialakult többféle mód a felület karbonnal való feldúsítására, mint például a folyékony közegben való cementálás, vagy a manapság az iparban a leginkább használatos a gázcementálás. Dolgozatom első felében bemutatom a cementálás elméleti hátterét, majd az egyes eljárásokat ismertetem részletesebben. A gyakorlati részben pedig, a Visual Environment nevű véges elem analízis programmal fogom modellezni ezt a technológiát, majd összevetem a valóságban mért, és tapasztalt értékekkel. 5

1. A cementálás elméleti háttere 1.1. A cementálás helye a hőkezelő technológiák között A hőkezelés egy olyan folyamat, amely során a munkadarab egészének, vagy csak egy részének a hőmérsékletét megváltoztatjuk, hogy a kívánt fizikai, mechanikai, kémiai tulajdonságokat érjük el [1][2]. A hőkezeléseket hatásmechanizmusaik alapján az alábbi kategóriák szerint is csoportosíthatjuk: Összetételt nem változtató, kizárólag termikus hatást kifejtő kezelések Termokémiai kezelések Termomechanikai kezelések Hőkezelések Összetételt nem változtató kezelések Izzítások Keménységnövelő hőkezelések Szívósság fokozó hőkezelés Termokémiai kezelések Nemfémes ötvözők diffúziós bevitele, eltávolítása Cementálás Nitridálás Boridálás Karbonitridálás Fémes ötvözők diffúziós bevitele Termomechanikai kezelések 1. ábra: A hőkezelések változatai 6

Az összetételt nem változtató kezeléseknél, mint a nevük is mutatja csak a hőmérsékletváltozást és ennek a kristályszerkezetre kifejtett hatásait használjuk ki. A hevítéshez és a hőntartáshoz egy kemencét használunk, amelyben szükség esetén szabályozottan lehet hűteni a darabot, vagy onnan kivéve alkalmazhatjuk a kívánt eredmény eléréséhez szükséges hűtőközeget. Ilyen kezelések: Izzítások: több féle létezik (lágyító, normalizáló, szemcsenövelő, stb.). Keménységnövelő hőkezelések (ötvözetlen acélok esetében: edzés, kiválásos keményítés): o Edzés: gyors hűtés hatására a munkadarabban martenzit képződik és ez nagy keménységet ad az ötvözetlen acéloknak. o Kiválásos keményítés: erősen ötvözött acélok esetében a magas hőmérsékletű megeresztés során a karbidkiválások okozzák az acél másodlagos keménységnövekedését. Szívósságfokozó hőkezelések: például a nemesítés, amely során az első lépésben eddzük a munkadarabot, majd magas hőmérsékleten megeresztjük. Termokémiai kezelésekhez tartoznak azok a módszerek, amikkel fémes vagy nemfémes anyagokat diffundáltatunk be, vagy ki a munkadarabból, ilyen például a karbon kiégetése vagy a szennyezőanyagok. A termomechanikai kezelések esetében a hőkezelés és képlékeny alakítás hatásával egy időben módosítjuk a munkadarab tulajdonságait és geometriáját a magas hőmérsékleten bekövetkező újrakristályosodásnak köszönhetően. Másikfajta csoportosítás szerint a hőkezelés lehet: térfogati, felületi. A két csoportosítás között vannak átfedések. Mikor csak a felület egy rétegét módosítjuk akkor jellemzően felületi edzésekről vagy termokémiai kezelésekről beszélünk. Mivel az ötvöző anyag a munkadarab felületén kerül bele a fémbe, ezért az a kéreg felől halad a mag felé, így mindig a felületen és annak közelében lesz a legnagyobb a változás. A kémiai összetételt változtató felületkezelések közé tartozik: Cementálás: A felület karbonnal való dúsítása. Nitridálás és a különböző változatai 7

o Karbonitridálás: Karbont és nitrogént egyidejűleg juttatnak az acélba. Lényegében a cementálás és a niridálás elvégzése egy lépésben. Boridálás: Bórt juttatnak a fém felületébe. Kémiai összetételt nem változtató felületmódosítások például a különböző felületi edzések: Lángedzés: a felület ausztenitesítése egy oxihidrogén lánggal és azonnali hűtése vízzel Indukciós edzés: a munkadarabot egy mágneses mezőbe teszik, amit nagy frekvenciás áram állít elő és ezzel érnek el egyenletes felületi keménységet. Lézeres és elektronsugaras edzés: nagy energiájú részecskékkel bombázzák a munkadarab felszínét ami által magas hő keletkezik és így érik el az edzéshez szükséges állapotokat. 1.2. A cementálás elméleti háttere Fontos leszögezni, hogy a cementálás önmagában nem biztosít keménységnövekedést, pusztán az a célja, hogy megalapozzuk az elkövetkező hőkezeléseket; mégpedig, hogy edzés során martenzit(vagy éppen bénit) képződjön. Ezt nálunk összefoglaló néven betétedzésnek nevezik, és az idegen nyelvű irodalmakban sem veszik külön a két lépést, hanem összefoglalóan Case Hardeningnek nevezik. A 1. táblátat különböző felületkezelő eljárások összehasonlítását mutatja be, néhány paraméter szerint [3]. Felületkezelés jellemzője Cementálás +betétedzés Felület edzés Nitridálás elérhető keménység, HV 670-800 500-800 600-1100 kilágyulás kezdeti hőmérséklete ( C) 150 150 400 vetemedés mértéke nagy mérsékelt kicsi dinamikus igénybevételi nagy közepes kicsi ellenállás 1. táblázat: Felületkezelő eljárások összehasonlítása 8

Mint látható, nagy keménység és közepes rétegvastagság érhető el cementálás során. A kilágyulás hőmérséklete alacsony, melynek oka, hogy nem keletkeznek karbidok vagy nitridek a felületi kéregben, amik jól ellenállnak a hőterhelésnek. A karbidok keletkezéséhez egyébként is erősen ötvözött acélokat kellene alkalmazni, de ezek a típusúak nem ajánlottak a cementálás végrehajtásához, hiszen rengeteg nehézségbe ütközünk a folyamat során, mint például a rétegvastagság szabályozása. Az MSZ EN 10084 szabvány által ajánlott betétedzésű acélok: C10 C15 C16 17Cr3 16MnCr5 18CrNMo7 stb. Látható, hogy kis (<0,25) C tartalmúak és nem tartalmaznak sok ötvözőt. A cementálás lényege, hogy az adott acél munkadarab felszínét feldúsítsuk annyira C-ben, hogy az már edzhető legyen és a martenzit tűk kialakulása révén nagyobb felületi keménységet érhessünk el. Az edzhetőséghez a C tartalomnak meg kell haladnia a 0.25%-ot az anyagban. Felmerülhet a kérdés, hogy akkor miért nem használunk olyan acélokat, amik edzhetőek és akkor nem kéne még egy technológiai folyamatok a gyártási láncba iktatni, hanem meg lehetne oldani a dolgot egy felületedzéssel. Az egyik ok, hogy nehezebben tudnánk beállítani a hőkezelt munkadarab paramétereit (bonyolultabb, összetettebb folyamatszabályozásra lenne szükségünk, hogy a kívánt eredményt elérjük), mint a mag szívóssága és a kéreg keménysége, a másik ok pedig meg a gazdasági megfontolásokhoz köthető. Egy példa: van kétféle anyagminőségünk: Egy C45-os acél (0.45% C-t tartalmaz) ami edzhető, Egy C10-es acél (0.1% C-t tartalmaz) ez természetesen nem edzhető. Hasonló tulajdonságot érhetünk el (szívós mag és kemény kopásálló kéreg), ha: Az első anyagminőség esetén a magot nemesítjük, majd a felületet edzzük(láng, indukciós stb.). 9

Vagy a második esetben a munkadarab normalizálva van (a legtöbb esetben kereskedelmi forgalomban ilyen állapotban kaphatók az anyagok), majd utána cementálunk+edzünk (betétedzés). Ebben az esetben a mag C-tartalma megmarad 0.1%-on, de a kéregé elérheti a 0.6-0.8%-ot ami már a cementálás során a felső értéknek tekinthető (e felett II. cementit képződik ami már rontaná az elvárt tulajdonságokat). A cementálás az ausztenitesitési hőmérséklet fölött történik 900 és 1150 C között. A legideálisabb azonban a 900-950 C közötti tartomány, ugyanis a magasabb hőmérsékleten a szemcsedurvulás mértéke jelentősen megnő, ami nem tesz jót a mechanikai tulajdonságoknak és további hőkezelések válnak szükségessé[4]. Azért kell ausztenitesíteni a munkadarabot, mert a γ -vasnak nagyobb a C oldó képessége, mint az α vasnak (a vas-karbon diagram E-pontja szerint maximálisan 2,06% karbont tud oldani). 2. ábra: Fe-C kétalkotós diagram [5] Alacsonyabb hőmérséklet (A 3 és A 1 között) esetén a szövetszerkezet túlnyomó része ferritből áll és csak kevés az ausztenit. Ebben az esetben a kéreg hamar telített lesz C-ben és megjelenik a cementit, ami korlátozza a diffúziót, így csak egy nagyon vékony réteg fog kialakulni. Ugyanez az oka annak, hogy a martenzit képződéshez a 10

legideálisabb karbon tartalom 0,8% alatt van így az ausztenit mellet sem jelenik meg a II.cementit. A hőntartás szükséglete cementálás során átlagosan körülbelül 10 óra. Természetesen attól is függ, hogy milyen kéregmélységet akarunk elérni. A cementálás után lehetőség van alkalmazni egy diffúziós izzítást (3. ábra), ami arra szolgál, hogy a C-tartalom eloszlása a kéregben egyenletesebben legyen, és az ennek hatására csökkent karbontartalom miatt kevesebb lesz a maradék ausztenit, ami pozitívan befolyásolja a szilárdsági tulajdonságokat. 3. ábra: A diffúziós izzítás szemléltetése[5] 1.3. A termokémiai kezeléseknél lejátszódó folyamatok Az eljárások célja a felületi réteg valamilyen kémiai elemmel való feldúsítása. A reakciók mindig az acél felülete között és valamilyen gáz halmazállapotú közeg között mennek végbe. Tehát függetlenül attól, hogy a cementálás során gáz, folyékony vagy szilárd cementáló közeget alkalmazunk, a C felvétele mindig gáz fázisból történik és ez a gáz az esetek nagy részében CO. Két nagyobb lépésre lehet bontani a termokémiai kezelésekben lejátszódó folyamatokat: Adszorbció Diffúzió 11

1.3.1. Adszorbció A folyamat lényege, hogy a határfelületen lévő atomok energiaszintje nagyobb, mint az anyag belsejében lévőké, mivel nincsenek minden oldalról körülvéve. Ezért a felületi atomok a környezetekben lévő elemi részecskéket magukhoz kötik, ezzel is csökkentve az energiaszintjüket. Ez a folyamat erősen függ a hőmérséklettől. Fontos megjegyezni, hogy a részecskék megkötése nem egyenletes mivel a felület egyenetlenségei miatt az atomok különböző energiaszintekkel rendelkeznek. A cementálás során az adszorbciót leginkább meghatározó tényezők a: C p karbonpotenciál, gáz és acél karbonaktivitása, a gáz karbonleadó képessége. Karbonpotenciál: Azt mutatja meg, hogy a közeg az adott hőmérsékleten a munkadarab felszínén milyen karbontartalommal tart egyensúlyt (vagyis az elméletileg elérhető maximális ötvöző-tartalmat); jele: C [%]. Az állandó karbonpotenciál egy dinamikus p egyensúlyt tart fent. Például, ha a karbonpotenciál 1% akkor a kisebb karbontartalmú acél erre a szintre cementálódik a nagyobb karbon tartalmú pedig erre a szintre dekarbonizálódik. Azért dinamikus az egyensúly, mert a diffúzió révén a felületi rétegből karbon távozik a munkadarab belseje felé, amit pótolni kell mind a fém felszínén mind az atmoszférában. Végső soron a cementáló és dekarbonizáló hatás egyensúlyban van. Karbonpotenciál mérésének módjai: 0,05 mm vastag szénacél fóliát 15-20 percig cementálunk, majd vegyelemzéssel megkapjuk az értéket. Ez a módszer szabályozásra nem alkalmas. 1970-es évektől oxigénszondát használnak a méréshez, ami pillanatnyi értéket ad és már használható a folyamat szabályozására. Kinézetre egy kerámia védőcsőre hasonlít és az oxigén parciális nyomását lehet vele megállapítani. Csak akkor működik, ha a CO tartalmat állandónak tekintjük, ha ez nem tekinthető állandónak, akkor egy CO elemzőre és egy mikroszámítógépre is szükség van. 12

Infravörös fénnyel, ami a CO koncentrációt tudják érzékelni. Ebből már a 2 nyomás és a hőmérséklet függvényében kiszámítható a CO-mennyiség és a karbonpotenciál. Karbonaktivitás: 4. ábra: Oxigénszonda felépítése [5] Az acél kémiai összetétele határozza meg. Ezért azonos körülmények között cementálva, azonos karbontartalmú betétben edzhető acélok között a réteg növekedése eltérő lehet. Ennek az az oka, hogy nem mindegy, hogy a karbon hol és milyen formában található meg az acélban. Előfordulhat: elemi karbonként (grafit formában) kötött formában a karbidokban oldott formában az ausztenitben. Ezek közül az ausztenitben oldott karbonnak meghatározó a szerepe. ahol: a a karbonaktivitás [-] c p c az ausztenitben oldott karbon gőznyomása [Pa] a c p = (1) p c 0 c 0 p c a grafit gőznyomása[pa] A karbonnal telített ausztenit megegyezik a grafitéval. a értéke 1, tehát az oldott karbon gőznyomása c 13

5. ábra: Azonos a vonalai az ausztenites mezőben [6] c A gázfázis aktivitása a Boudouard-reakció alapján állapítható meg. A Boudouard-reakció egyensúlyi diagramja: CO + C CO (2) 2 2 6. ábra: Boudouard-görbe[6] 14

Látható, hogy a gyakorlat szokásosan alkalmazott 900 C körüli hőmérsékleten normál 1 bar nyomáson a gázban körülbelül 96% CO és 4% CO 2 található. A nyomás változtatásával ez az arány eltolódik. 1.3.2. Diffúzió: A felületen megtapadt elemek vándorlása a felület alatti rétegekbe majd az anyag belsejébe. A hajtóerőt a munkadarab felülete és belseje között fellépő koncentrációkülönbség biztosítja. Természetesen nem elég csak a koncentráció különbség, egyéb tényezőknek is meg kell valósulnia ahhoz, hogy a diffúzió megfelelő mértékű legyen, mint például a magas hőmérséklet. A diffúziós folyamatokat a Fick-egyenletek írják le. J = D gradc (3) Ahol: mol J-az adott felületen, adott idő alatt átáramló anyagmennyiség(fluxus)[ m 2 s ] D-diffúziós tényező [ 2 m s ] C-koncentráció [%] A diffúziós tényező értéke több mindentől függ: hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás. A hőmérséklettől való függést az alábbi egyenlet adja meg: Ahol: 0 Q D D e RT = (4) D a hőmérséklettől független, a diffúziós tényezővel megegyező 0 dimenziójú érték az adott fémpárra [ Q aktiválási energia [kj] R gázállandó [ J mol * K ] T abszolút hőmérséklet [K] 2 m s ] A D 0 és a Q értékeket kísérletekből lehet meghatározni. 15

1.4. A cementálás utáni hőkezelés A kémiai folyamatok lejátszódása után, a megfelelő keménység eléréséhez mindig szükség van edzésre és megeresztésre. Az edzés: Az edzés többféleképpen történhet meg[7]: Direkt módon a cementáló közegből való lehűtéssel. (Ez nem ajánlott, sok problémát okozhat. Illetve szilárd közeg alkalmazásakor nem is oldható meg.) A cementált munkadarabot hagyjuk lehűlni szobahőmérsékletre, aztán hevítjük fel megint; és az edzést ekkor hajtjuk végre a megfelelő közegben (olaj, víz). Kettős edzéssel, ami általában egy magasabb edzésből, majd egy alacsonyabb hőmérsékletű edzésből áll. Ebben az esetben pontosabban szabályozható a mag és a kéreg tulajdonsága. Az első két módszer alkalmazható finomszemcsés acélok esetén, a harmadik akkor célszerű, ha a durvább szemcséket finomítani akarjuk. A 7. ábra egy vázlatot ad arról, hogy milyen hőmérsékleteken és időintervallumba mehet végbe a hőkezelés. A közvetlen edzés (7. ábra a rész) hátránya, hogy az eldurvult szemcsék, amik a cementálás során keletkeznek, nem finomodnak, így kedvezőtlen mechanikai tulajdonságok alakulnak ki. Csak akkor alkalmazható, ha finomszemcsés acélokat használunk, mivel ezek nem hajlamosak a szemcsedurvulásra a cementálás során. Esetleg enyhe visszahűtéssel lehet csökkenteni az edzési deformációt és a maradék ausztenit tartalmat. A b változatnál az anyagot hagyják először lehűlni és a szükséges megmunkálásokat elvégzik, ez azért előnyös, mert nem az edzett és ezért technológiai szempontból túl kemény anyaggal kell dolgozni. A c változatot az erősen ötvözött acélokra szokták alkalmazni. Itt még egy lágyítást is be kell iktatni, hogy a megmunkálás elvégezhető legyen. Az edzést rendszerint a kéreg edzési hőmérsékletéről végzik az optimális kéreg tulajdonságok biztosítása miatt. A mag edzési hőmérsékletéről végzett edzéskor a mag szövete teljesen átkristályosodik,ami szükség esetén jobb magtulajdonságokat biztosít és az esetleg 16

képződött szekundercementit kiválás is oldatba vihető. A kéreg tulajdonságai viszont ilyenkor kedvezőtlenebbek. 7. ábra: Hőkezelési variációk a cementálás után[5] A d kezelés erősebben ötvözött betétedzésű acéloknál alkalmazható, amelyek a cementálást követő lehűtésnél feszültségi repedésre hajlamosak. 17

Az e változatnál két edzést hajtunk végre. Kettős edzést akkor alkalmazunk, ha szükséges a kéreg és a mag szerkezetének is a megváltoztatása. Cementálást követően az első edzést a mag normalizálási hőmérsékletéről, 900-920 C-ról végezzük. Ennek során a mag finomodik, míg a kéregben a cementit háló feloldódik. Ezután végezzük a második edzést, amelyet a kéreg karbontartalmának megfelelő ausztenitesitési hőmérsékletről végzünk. A megeresztés: Minden esetben szükség van rá és mindig alacsony hőmérsékleten (180-200 C-on) kell végrehajtani. Célja, hogy a feszültségeket csökkentsük, ami a martenzit kismértékű leépülésével járhat. További célja lehet a megeresztés során a maradék ausztenit átalakítása elsősorban bénitté. 1.5. A cementált kéreg jellemzői A két legfontosabb jellemző az a kéreg vastagsága és a kéreg keménysége. 1.5.1. A cementált kéreg vastagsága A kéregvastagság fogalmát kétféleképpen lehet értelmezni. Az egyik értelmezés a hőkezelési (technológiai) szempont, a másik pedig a konstrukciós szempont. Technológiai szempontból az acél magjánál nagyobb, meghatározott karbon tartalmú zóna tekinthető a cementált rétegnek. Konstrukció szempontból viszont egy előre meghatározott kritikus keménységig tart a kéreg vastagsága. Ez az érték nem állandó, függ attól, hogy mire szeretnénk használni a szerkezetet, munkadarabot. Ezt a kritikus keménységet leggyakrabban HRC 50-nek szokták megválasztani, ez Vickers keménységben körülbelül HV 500- nak felel meg. A kéreg szövetszerkezetének minősége függ a C tartalomtól és annak az eloszlásától. Ezt a két jellemzőt a cementálás és edzés technológiájával tudjuk befolyásolni. Ideálisnak viszont akkor tekinthetjük, ha a felületen a C tartalom az eutektoid, ami az S-pontban található, 0,8% karbontartalomnál, határán van,ezért nem keletkezik szekunder cementit. A felülettől egy megadott távolságra ( C ) legalább 0,4% karbon tartalomnak kell lennie. 18

E tulajdonságok méréséhez a munkadarabból egy keresztmetszetet kell kivenni és ezen végezzük el a kívánt méréseket. Ez természetesen csak akkor kivitelezhető, ha nem probléma hogy a munkadarab roncsolódik. Kvázi roncsolás mentes vizsgálathoz az adaggal együtt cementált és vele azonos anyagú próbatestet használhatunk fel. Ez a megoldás nem minden esetben ad pontos értéket hiszem a munkadarab mérete befolyásolhatja az eredményt [8]. A cementált kéreg C-tartalom szerinti vizsgálatának lépései: A cementált próbatestet vízben hűtjük. Metszetet, töretfelületet készítünk. A felületet a salétromsav 10%-os oldatába mártjuk. Erre azért van szükség, hogy a nagy karbon tartalmú martenzites szövetszerkezetű réteg sötétre színeződjön. Mikroszkópi vizsgálatok esetén 1-3%-os salétromsav alkoholos oldatának alkalmazásával a perlites és a ferrit-perlites részt lehet sötétebbre színezni. A minták szemrevételezésével megállapítható a rétegvastagság Egy másik jól használható módszer, amit műhelyekben is lehet alkalmazni, ha a cementált próbatestet acél lapon vagy villamos fűtésű kemencében (azért ebben a kettőben, hogy tiszta legyen az atmoszféra és ne jöjjön létre semmilyen kémiai reakció) felmelegítjük 400-500 C-ra. Ilyenkor a cementált réteg lilás-barnára, vagy sötétkékre színeződik; és jól elkülönül a világos árnyalatú magtól. Ezzel a módszerrel a ΔC kéregvastagság 0,1-0,2 mm pontossággal mérhető. A kéreg keménységvizsgálatához a próbatest keresztcsiszolatán mérünk keménységet. A metszet készítésére nem csak a felületre merőlegesen van lehetőség, hanem úgy is, hogy a felülettel egy bizonyos szöget zár be a vágás (kb. 30-45 ). Ez azért jó, mert a kéreg eredendően vékony és ezzel megnövelhetjük a lenyomatkészítéshez igénybe vehető felületet. Ugyanis figyelembe kell venni, hogy az egyes lenyomatokat egymástól a lenyomat szélességének legalább háromszoros távolságára érdemes elhelyezni. A keménység legcélravezetőbben Vickers (mikro-vickers) eljárással mérhető. 19

A kéreg mélységéhez tartozó kritikus keménységet ( HV szempontok alapján az alábbi módszerekkel lehet meghatározni [4]: krit ) konstrukciós a magkeménységnél adott (általában 100 HV) értékkel magasabb keménység: HV mag + HV (pl 100 HV), konst a mag keménységéhez hozzáadják a maximális keménység felét: HV 2 max HV mag +, a maximális keménységet elosztják a természetes logaritmus alapjával: HV max e. Megfontolások a kéregvastagság vizsgálatánál A tapasztalatok azt mutatják, hogy a kéreg vastagsága a technológiai paraméterek mellett függ olyan tényezőktől is, mint a munkadarab mérete, vagy a közeg, amiben az edzést elvégezzük. Ez azért fontos, mert a fentebb említett mérési módszerek sokszor arra hagyatkoznak, hogy a munkadarabbal együtt egy próbatestet is cementálunk és edzünk. Ha ennek a próbatestnek a mérete jelentősen eltér a munkadarabétól, akkor téves eredményt fogunk kapni [5]. 8. ábra: A keménység és a kéreg mélységének kapcsolata vízhűtés esetén (BS 637M 17,15CrNi6, 1.5919) [7] 20

Például, ha azonos körülmények között cementálunk több munkadarabot 10, 50, 100, 145 mm-es átmérővel, és utána olajban eddzük, a 100 és 145 mm átmérőjű munkadaraboknál 1 mm mélységben a keménység nem fogja meghaladni a kritikus értéket (9. ábra), ami általában 500 HV-nek van megadva. Ugyanakkor, ha az előzőekhez hasonlóan cementáltunk, de az edzést vízben végeztük el akkor, már sokkal kisebb eltérés lesz az eredmények között (8. ábra). Ez azért fontos, mert a próbatestet a fentiek alapján közvetlenül a cementáló közegből hűtjük vízzel, míg a munkadarabot nagy valószínűséggel másféle hőkezelésnek fogjuk alávetni. Ami jelentős eltéréseket eredményezhet a referenciaként mért és a munkadarab valós értékei között. 9. ábra: A keménység és a kéreg mélységének kapcsolata olajban való hűtés esetén (BS 637M 17,15CrNi6, 1.5919)[7] 1.5.2. A cementált kéreg keménysége Sajnos a nagy keménység nem minden esetben jelenti a kívánt tulajdonságok javulását, mivel a szívósság és így a dinamikus igénybevételekkel szembeni ellenállás jelentősen csökkenhet. 21

Vizsgálatok azt bizonyítják, hogy a betétben edzett acélok esetében a felületi keménység növelése, nem minden esetben jár együtt a kopási tulajdonságok javulásával. Több irodalom is azt erősíti meg, hogy az ideális felületi keménység 55 és 60 HRC között található. Keményebb felület esetén, a fogaskerekek esetében, a tapasztalatok azt mutatják, hogy nő a kopás és a berágódás veszélye[9]. A 60 HRC feletti keménység azért sem indokolt, mert a további megmunkálások folyamán növeli a repedés kialakulásának a kockázatát. 1.5.3. A cementáláskor fellépő hibák Gyakori hiba a nagy maradék ausztenit tartalom. Ez a kéreg túl nagy C tartalmának és a magas edzési hőmérsékletnek tudható be. Az erősen ausztenites kéreg kopással és ismétlődő igénybevételekkel szembeni ellenállása kicsi. Ez a jelenség leginkább a Ni és CrNi acélok esetében figyelhető meg, mert ezeknek az ausztenitjei rendkívül stabilak, így ezeket a betétedzésű acélokat a Mo, V, Ti, ötvözésű acélok egyre jobban háttérbe szorítják. A kéreg egyenlőtlen vastagságú ezért a felületi keménységben eltérések lehetnek. Ez a rosszul megválasztott technológia és technológiai paraméterek okán fordulhat elő. Például: o Szilárd fázisú cementálásnál o Szennyeződés a munkadarab felszínén o Gáz-cementálásnál a retortában nem egyenletesen áramlik a gáz Szilárd fázisú cementálásnál a kéreg közelében egy hártya keletkezik, ami dekarbonizálódáshoz vezet. Ez nem csak a keménységet csökkenti, hanem a kifáradási határt is, mert húzó-maradó feszültség keletkezik. Cr és CrMn ötvözésű acélok esetén trusztit-martensit keletkezhet: ami a martenzit egy bomlásterméke és annál puhább is a karbid szemcsék megjelenése miatt a szövetelemben [6]. 22

2. A cementálás technológiai változatai A technológiai változatokat az alapján különböztetjük meg, hogy milyen halmazállapotú a cementáló szer amit felhasználunk. Természetesen az adszorbció (ahogy az a korábbiakban már említésre került) az mindig gáz közegből való C felvétel útján játszódik le függetlenül attól, hogy milyen közeget használunk. Így a cementálás fő változatai [10]: Szilárd fázisú cementálás Só fürdős cementálás Gáz-cementálás Plazma-/vákuumcementálás 2.1. Szilárd fázisú cementálás Az eljárás során a leggyakrabban használt cementáló szer,ami egyben a legegyszerűbb is; a faszén (bármiféle adalék vagy aktiváló anyag nélkül). A folyamat jelen lévő oxigénnek köszönhetően megy végbe. A szabad C keletkezésének a lépései: A felmelegítés során az oxigén során reagál a faszénnel aminek köszönhetően CO 2 ban gazdag atmoszféra keletkezik A hőmérséklet tovább emelkedésével aco 2+C 2CO reakció folyamán az egyensúlyi viszonyok fokozatosan jobbra a CO-ban gazdag tartomány felé tolódnak el (Boudouard-görbe6. ábra). Az acél felszínén a szénmonoxid felbomlik: 2CO CO2 + C Mivel a környezetben lévő oxigén mennyisége változhat, ezért nem mindig képes elegendő CO gázt termelni önmagában. 2 Ebben az esetben fontos az aktivátorok használata ilyen például a Bárium karbonát. BaCO BaO+CO (5) 3 2 Ami az 5-ős számú reakcióegyenlet alapján termel széndioxidot. Az előnye ennek az aktivátornak, hogy alacsonyabb hőmérsékleten a folyamat visszafelé játszódik le, így az többször felhasználható. 23

További aktivátorok lehetnek még: Na2CO, 3 CaCO amik a cementáló közeg 5-3 30%-át teszik ki. Ha például az ötvözött acélon vastag kérget kell létrehozni akkor a CaCO a legalkalmasabb mert megakadályozza a túlcementálódást. 3 2.1.1. A kivitelezés A kezelés során a munkadarabokat elegendően nagy dobozokba teszik, azt lezárják; majd kemencékben helyezik el és ott melegítik fel megfelelő hőmérsékletre. Ezek a dobozok ideális esetben henger alakúak, aminek több oka van. Az egyik, hogy így hosszabb az élettartamuk, mert jobban ellenállnak a repedéseknek, a feszültséggyűjtő helyek csökkentése révén a másik, hogy a kemencében elhelyezve őket kevésbé akadályozzák a légáramlást. A gyakorlatban azonban legtöbbször valamilyen fémdobozt használnak (10. ábra). Mivel a cementáló közeg (faszén, tőzeg stb.) hővezetése nagyon gyenge, ezért a nagyobb dobozokban nem szabad középre tenni a munkadarabot, azt a széle közelében kell elhelyezni. A kisebb tárolóknál az eredmény egyenletesebb, viszont ezt gazdaságilag nem éri meg alkalmazni, csak speciális esetekben[5].a dobozokat egymástól megfelelő távolságra kell elhelyezni a már említett szabad légáramlás miatt. A fentebb leírt okok alapján úgy találták, hogy az ideális méret egy ilyen tárolónak 150mm átmérő körül van, a felső határt 300 mm-ben határozták meg. Ezt az értéket csak akkor szabad átlépni, ha a munkadarab méretei ezt megkövetelik. 10. ábra. Cementáló doboz [11] 24

Az eljárásváltozat hátrányai: A cementálószerben kén található, mint káros szennyezőanyag, ami károsíthatja az acél felszínét. Körülménye, a doboz kemencébe való behelyezése és kivétele nehezíti a folyamatot. Környezetszennyező, a használt cementáló közeget megfelelőképpen kell tárolni. Nem szabályozható a folyamat, a karbonpotenciál nem mérhető és változtatható a hőkezelés során. Összességében azért alkalmazzák még mindig az ipari gyakorlatban, mert könnyen hozzáférhető és kis darabszám esetében nem igényel komolyabb befektetést. 2.2. Só fürdős cementálás A gyakorlatban alkalmazott sófürdők alapanyaga kivétel nélkül valamilyen alkálicianid vegyület [9]: Káliumcianid (KCN) Nátrium cianid (NaCN) Ritka esetben kálciumcianid (CaCN) Ezen vegyületek gyöke a cián (CN) ami rendkívül mérgező, viszont ez az ami a diffúzióképes karbont biztosítja az eljárás során. Mivel a reakciók során a cián gyök felbomlik C-re és N-re, a magas hőmérséklet során mindkét elem beépül az acél rácsszerkezetébe. Ennek ellenére a sófürdős cementálás nem tekinthető nitrocementálásnak, mivel a nitridáláshoz szükséges körülmények nem teljesülnek. A végbemenő reakciók, amikből az elemi karbon keletkezik, megosztják az ebben járatos szerzőket, kutatókat [8]: Z.L.Regirer szerint a C felvétele az alábbiak szerint történik: 2NaCN+3Fe Na CN +Fe C (6) 2 2 3 Mások szerint viszont a cianidok csak O 2 közreműködésével képeznek diffúzióra alkalmas C-ionokat: 2NaCN+2O Na CO +CO+2N (7) 2 2 3 Az így keletkező CO már a Boudouard reakció szerint tudja végezni a cementálást. 25

A sófürdő eleinte 850-930 C-on megolvasztott kálium-ferrocianidból állt ( K4Fe(CN) ): ez a nagyon régi megoldás gondot okozott, mivel erősen iszapképző 6 volt a folyamat:vas válik ki és ez a levegő oxigénjével érintkezve vas-oxidot képez, ami lerakódik a fürdő alján. Egyedüli előnye az volt, hogy a közeg olvasztott vagy szilárd formájában nem mérgező, azonban a hűtésre használt víz vagy olaj már tartalmazott mérgező cianidokat. Ezért váltották le gyorsan a fentebb említett cianid sók ezt a megoldást. A szilárd közegű eljárásnál említett aktivátorok itt is megtalálhatók és jól alkalmazhatók. A bárium-karbonát használatával elérhető, hogy a cementáló hatás a sófürdő egész tömegében egyformán aktív legyen. Az ipari igények követése okán a cementáló sók három osztályba nyertek besorolást az alapján, hogy mit tartalmaznak, és mire lehet használni őket az ipari gyakorlatban: A: nem aktivált sók B: gyengén aktivált sók C: erősen aktivált cianidok Az A csoportba tartozó sókat alacsony hőmérsékletű (780 C), és rövid ideig tartó cementálásnál szokták alkalmazni. Mivel a hőmérséklet nem túl magas a munkadarab nitridálódik is és mikroszkópos képen jól megfigyelhető a fehéren maródó nitridréteg a felszínen. Előnye, hogy a sók vízben oldódnak így a munkadarab felszínét könnyen meg lehet tisztítani. A B osztályozású sók közepes 0.5-0.8 mm vastagságú réteg kialakítására alkalmasak, itt az alkalmazott T már magasabb ezért a fürdő tetejét szilikátmentes pehelygrafittal le kell szórni, a mérgező gázok kipárolgásának megakadályozása érdekében. Az utolsó "C" osztályba a 900 Cfeletti cementálási hőmérsékletre használatos sók tartoznak, ezeknek a használata akkor gazdaságos, ha 1 mm feletti kéregvastagságot szeretnénk elérni. Ezek erősen mérgező vegyületek és csak komoly óvintézkedések (védő állarc, védőkesztyű) mellett szabad őket alkalmazni. Manapság már léteznek olyan eljárások, amik nem terhelik túlságosan a környezetet, mivel nem tartalmaznak cianidokat és kevesebb hulladék só keletkezik. Ilyen eljárás például a DUROFER márkanéven ismert eljárás. Itt a karbonaktivitást egy regenerátorral (CECONTROL) szabályozzák, amit folyamatosan a bázis sóhoz 26

adnak hozzá, töltenek után. Többféle bázis só létezik attól függően, hogy milyen hőmérsékleti tartományban és milyen körülmények között akarunk cementálni: CECONTROL 50H: Gyengén cementáló só amivel maximum 0.5%-os karbon tartalmat érhetünk el a felületen. 780 C és 950 C között használható CECONTROL 80B/110B: Maximálisan 0.8% és 1.1% karbon tartalmat érhetünk el a felületen. 820-950 C között használható. Hátrányai [12]: A használt sók nagyon mérgezőek mivel cianid alapúak, drága a megfelelő elhelyezése a használt fürdőnek. A munkadarabok sót hordanak ki a fürdőből és ezt egy idő után pótolni kell. A legtöbb eljárás során az eltávolított só maradványok erősen szennyezőek. A fürdő cianid-cianát koncentrációját szűk határok között kell tartani. 2.3. Gázcementálás A legszélesebb körben alkalmazott technológia, fokozatosan kiszorítja a többi eljárást. A karbont leadó közeg mindig valamilyen gázfázisú karbontartalmú vegyület, a szénhidrogének valamilyen formájában vagy valamiféle folyékony karbont tartalmazó vegyület. A leggyakrabban használt gázok: Metán ( CH ) 4 Propán ( CH ) 3 8 Bután ( CH ) 4 10 És ezek valamilyen arányú keverékei. Az atmoszférikus nyomáson végbemenő gázcementáló eljárások két csoportba sorolhatóak: Külön bontással létrehozott atmoszférák: o a kemence mellé telepített vagy központi endogenerátorral o kemencével egybeépített retortával o külön metanol bontóval 27

Közvetlenül a kemencében előállított atmoszférák: o földgát/levegő bevezetése o N / metanol befúvással 2 o N / 2 CH bevezetésével x y o folyadék elgázosítással o két folyadék becsepegtetésével 11. ábra: Szénhidrogén/levegő bevezetéssel végzett cementáló atmoszféra előállításának vázlata[5] Az anyagátviteli folyamatot a 12. ábra mutatja. Lehet látni, hogy öt lépésből áll a réteg kialakítása cementálás során. Először a gáz felbomlik és CO keletkezik Másodszor a keletkezett CO eljut a fém felszínéig Harmadszor a felület adszorbálja a CO-t Negyedszer a fémben megindul a diffúzó Végül pedig a reakciók játszódnak le a fémben. A felületbe belépő karbon mennyiségét a gáztér és az acél karbonaktivitásának a különbsége határozza meg. m=β(a -a ) (7) G C C 28

Ahol: β =karbonátmeneti szám (az anyagátvitel kinetikája jellemzi és a gázösszetétel által meghatározott) G a =karbonaktivitás a gázban C a =karbonaktivitás az acélban C 12. ábra: Anyagátviteli folyamat a cementálásnál[5] A karbonaktivitás függ: a karbon tartalomtól, az ötvöző tartalomtól és a hőmérséklettől. A karbonaktivitást nővelő ötvözők: Ni, Si, B, Co,N A karbonaktivitást csökkentő ötvözők: Cr, Mo, Mn, W, Ti, V Miután kiválasztottuk a kezelni kívánt anyagminőséget a többi paramétert már megfelelőképpen tudjuk változtatni a modern szabályozó berendezésekkel (pl: 29

oxigénszonda, hőmérők stb.), így biztosítva, hogy a lehető legjobb eredményeket kapjuk. Hátrányának a drágább beüzemelési költséget lehet felhozni, ami természetesen hamar megtérül, ha tömeggyártásban használják. 2.4. Plazmacementálás, vákuumcementálás Plazmanitridálással már az 1900-as évek elején elkezdtek foglalkozni, a plazmacementálásra csak az 1990-2000 es években fektettek hangsúlyt. Ennek ellenére nem lett igazán elterjedt, mert azokat az előnyöket,amelyeket az eljárás biztosított, a jóval költségkímélőbb vákuumcementálással is el lehetett érni. A különbség a vákuum és a plazma technológia között, hogy habár mindkettőt vákuumban végzik- a plazmacementálásnál a munkadarab és a kemence fala közé feszültséget kapcsolnak, és ez ionizálja a gázrészecskéket, amivel még aktívabbá tehetjük a karbonfelvételt. A vákuumcementálásnál ez az ionizációs lépés nincs jelen. 2.4.1. A vákuumcementálás A plazmacementáláshoz hasonlóan alacsony nyomáson megy végbe, ami néhány száz Pa. A hőmérséklet 850-1000 C. Ami eltérés a hagyományos módszerekhez képest, hogy itt nem cementálási időt adnak meg, hanem ciklusok határozzák meg a cementálás időszükségletét. Ezek a ciklusok két részből állnak [13]: Boost (porlasztás) Diffusion (diffúzió) Azért van szükség a cementáló közeg ciklikus adagolására, hogy a nyomás ne változzon széles tartományban: lényegében mindig az adszorbeált C mennyiséget pótoljuk. Az alacsony nyomáson végzett cementálás ebből a két lépésből épül fel. Boost: A cementáló atmoszféra (nyíltláncú szénhidrogének, mint acetilén, etilén, propán) alacsony nyomáson érintkezik a felhevített munkadarab felszínével, atomos karbon képződik és megindul a karbon adszorpció. Ez a szakasz rövid ideig tart; hozzávetőlegesen 5-10 perc szokott lenni, viszont az erőteljes reakciónak köszönhetően a munkadarab felülete már ilyen rövid idő alatt is elérheti a karbon oldó képességének a határát. 30

Diffusion: A munkadarab felszínén megkötött karbon eloszlása, diffúziója a mag felé. Csak rövid ideig kell alkalmazni, néhány perc elég szokott lenni, van, hogy teljesen el is hagyják. A C megkötésének és diffúziójának a folyamata vákuumcementálás során: A cementáló gázt megkötik a felület aktív részei, és megkezdődik a szétbomlás. Első lépésként a gáz gyökökre bomlik, amik kiválnak. A vas atomok a kialakult gyököket elemi karbonra és hidrogénre, valamint finomszemcsés grafitra és más elemekre bontják. A karbont megköti az ausztenit, a hidrogén távozik a felszínről (az elhasználódott és kivált hidrogén és egyéb gázokat ki kell vezetni a kemencéből). Mikor az ausztenit eléri a C oldó képesség határát, karbidok keletkeznek. A nagy koncentráció különbség hatására a felület és a mag között megindul a C diffúziója. Ami eltér a gázcementálástól, az a felületen lejátszódó reakciók. Gázcementálásnál a cementáló közeg már a kemence atmoszférájában felbomlik és CO keletkezik. Az acél felületén, ennek a bontása és a karbon adszorpciója történik. Vákuumcementálásnál viszont a cementáló közeg felbomlása is a munkadarab felszínén/felszíni rétegében megy végbe ezért a bomlás során keletkezett melléktermékek is bekerülnek az anyagba (például hidrogén), amiknek később távozniuk kell. 2.4.2. Plazmacementálás, a plazma generálása Azon a tapasztalaton alapszik, hogy ha egy zárt térben, ahol részleges vákuumot hozunk létre, elhelyezünk két elektródát és erre feszültséget kötünk, akkor a tartályban lévő gáz atomjai töltést adnak le, és elkezdenek áramlani a két pólus között. Fényjelenség is kíséri a folyamatot. A fény színe függ a gáz típusától. Egy mindennapi példa erre a jelenségre a fluoreszencia. A két elektródára kötött feszültség hatására a molekulák rezegni kezdenek, aminek hatására az atomjaik külső héjáról elektronok válnak le. A már töltéssel rendelkező 31

atomok elkezdenek véletlenszerűen mozogni a zárt térben és ütköznek egymással, ennek köszönhetően szabadul fel energia. A felszabaduló energia mennyisége azonban függ az ütközések számától. Ha a nyomás atmoszférikus, vagy ahhoz közeli, akkor sok részecske lesz a zárt térben, ennek köszönhetően rövidebb az út, amin fel tudnak gyorsulni az ionok, mert akadályozzák egymást a részecskék és kisebb energiájúak lesznek az ütközések. Amikor a nyomás nagyon alacsony, közeli a teljes vákuumhoz, nagyon kevés a részecske a térben és annak ellenére, hogy elegendően nagy szabad út áll a rendelkezésükre, hogy felgyorsuljanak, és nagy energiát fejtsenek ki, olyan ritkán ütköznek, hogy nem lehet a gyakorlatban hasznosítani ezt az energiát a kiszámíthatatlansága miatt. A legjobb eredményt ipari tapasztalatok szerint a kettő között érhetjük el 135 és 535 Pa nyomás mellett. Ilyenkor megfelelően nagy a felszabadult energia és elég rendszeresek az ütközések ahhoz, hogy kontrollálhassuk a folyamatot. Az atomi ütközések kontrollálásának legfőbb elemei: nyomás, feszültség, gázösszetétel, a felület mérete. 13. ábra: A Paschen görbe 32

Ahhoz, hogy jobban megértsük a fénykisülést és annak a felhasználhatóságát érdemes megnézni a Paschen görbét. Az ábra függőleges tengelyén feszültséget, a vízszintes tengelyén az áramsűrűséget látjuk. A görbe segítségével kiválaszthatjuk a cementáláshoz megfelelő feszültség és áramsűrűség értékeket. A megfelelő eredmény eléréséhez a paramétereket úgy kell megválasztani, hogy a munkadarabot a normál fénykisülési zónában tudjuk tartani. 2.4.3. Alkalmazási területek Mivel drága és bonyolult a berendezés ezért csak indokolt esetekben érdemes használni ezt az eljárást. Annak ellenére is, hogy azonos paraméterekkel végzett cementálás esetén, jobb eredményeket kapunk, mint más eljárásokkal. 14. ábra: AISI 8620(20CrNiMo, 1.6523)acélon, 980 C-os kezelés, majd közvetlen olajedzés alkalmazásával (Grech, 2006) Legfontosabb alkalmazási területe a porózus anyagok cementálása és az ausztenites acélok kezelése hagyományos módszerekkel a passzivált felületi réteg miatt nem lehet egyenletes cementált réteget létrehozni, viszont a plazma-eljárás során katódporlasztással (argonnal vagy hidrogénnel) lebonthatjuk ezt a passzivált réteget, mely az adott körülmények között nem tud újraépülni, és a cementálás még alacsony 33

hőmérsékleten is megvalósítható anélkül, hogy króm-karbid képződéssel kellene számolnunk. 2.4.4. A plazmacementáló kemence Bár a plazmatechnológia alapja nitridálás és cementálás esetében is ugyanaz, fontos különbség a technológiák hőmérséklete: míg a nitridálást 590 C-nál alacsonyabb hőmérsékleten végezzük, addig a cementálást 900 C körül megy végbe. Ezért van az, hogy a nitridálást lehetett hidegfalú és meleg falú kemencében is végezni, de a cementálásnál már csak az utóbbi megoldás jöhet szóba: a szükséges hőmérsékletet az alkalmazott feszültség és nyomás mellett nem lehet csak az ionok munkadarabba történő becsapódásával előállítani. Aktív gázok Szabályzó egység Plazma generátor VT egység Vákuum kemence Fűtés Töltet Szigetelés Áramforrás Vákuum szivattyú 15. ábra:plazma/ion - cementáló elvi vázlata (Clausen és Gräfen, 2013) A karbonleadó közeg metán vagy propán, amelyet vákuumszivattyúval történő légtelenítés és öblítés után juttatnak a zárt kemence térbe. Ioncementáláskor a gázközegben az anód (a kemence fala) és a katód (munkadarab) közé kapcsolt feszültség hatására pozitív karbon ionok keletkeznek és ezek a katódként kapcsolt munkadarab felületébe csapódnak. 34

2.4.5. A plazmacementálás előnyei és hátrányai Előnyök: Kiváló, egyenletesen cementált felületi réteg alakítható ki még komplex geometriák esetén is, felületi oxidációtól, szemcsehatár menti oxidációs problémáktól mentesen, rövid kezelési idő, amelyet még kedvezőbbé tehet a hőmérséklet növelésének lehetősége, a darab tiszta felületű, nem igényel tisztítást a kezelés után, a folyamat jól integrálható folyamatos gyártósorokba, környezetkímélő eljárás, mert csökkentett mennyiségű gázt és energiát alkalmaz, másrészt nincs edzőolaj, só olvadék, egyéb reagens hulladék. a plazmacementálásnak még az a plusz előnye a vákuumcementálással szemben, hogy porózus anyagok is cementálhatók benne, mivel itt csak a felületre korlátozódik a gázfelvétel. Hátrányok: Nagy beruházási költségek. Bonyolult üzemmenet. 35

3. Cementált rétegeknél alkalmazott felületvizsgálati módszerek Sokféle felületvizsgálati módszer létezik, amiket nagyobb csoportokba lehet rendezni, az alapján, hogy a felület milyen jellemzőjére vagyunk kíváncsiak. Geometriai jellemzők (pl. felületi topográfia, porozitás, rétegvastagság), Fizikai-kémiai jellemzők (összetétel, az ötvöző koncentráció eloszlása), Kristályszerkezeti jellemzők (fázisok típusa, mérete és eloszlása), Mechanikai jellemzők (keménység, kifáradási határ, tribológiai sajátosságok). Ezeken kívül léteznek olyan vizsgálati módszerek is amelyek kifejezetten a különböző felületkezelési technológiák alkalmazása esetén van szükség, és ezért fejlesztették ki azokat. Ilyen speciálisan kifejlesztett vizsgálati módszer például a GDOES (ködfény-kisüléses optikai emissziós spektrometria). A dolgozatomban a GDOES,és Vickers keménységmérés segítségével fogom jellemezni a kapott réteget (s így validálni a szimulációs eredményeket), ezért csak ezekkel foglalkozom részletesen. 3.1. GDOES (ködfény-kisüléses optikai emissziós spektrometria) Ezzel a módszerrel a vezető és nem vezető anyagok is vizsgálhatók és a minták kémiai összetételét rétegvastagságot, bevonatok vastagságát és összetételét tudjuk elemezni. A módszer alapelve, hogy egy négyszögletű vagy kör alakú mintát egy vákuumkamra oldalára helyezünk, majd az anód és a minta közé feszültséget kapcsolunk, ami Glimm-kisülést indít el a térben. Atomok porlasztódnak a minta felületéről, amik gerjesztett állapotba kerülnek és fényt bocsátanak ki. A leszakadt atomok eltávolítását a vákuum végzi, és az általuk emittált fény egy gyűjtőlencse fogja fel ami egy optikai emissziós spektrométerbe jut. 36

Vákuum Ablak Ar λ Vákuum Anód Minta RF Hűtés 16. ábra: A GDOES eljárás alapelve [14] A spektrométerben a fény a primer rácson át az optikai rácsra irányul,felbomlik hullámhosszok szerint és a Rowland-kör mentén lévő szekunder (kilépő) réseken át fotoelektron-sokszorozókra leképződik, melyekkel az intenzitását lehet mérni. Összesen 64 fotoelektron-sokszorozót lehet használni, így 64 különböző elem vizsgálatára nyílik lehetőség. Dinamikus detektor Rowland-kör Szekunder rések Lencsék Minta Rács Primer rés Spektrométer Forrás 17. ábra: Optikai emissziós spektrométer [14] 37

A porlasztás miatt az atomok egyre mélyebb rétegekből jönnek, így az atomok eloszlását a rétegmélység függvényében mutatja a vizsgálat. A rétegmélység ismeretéhez szükségünk van arra, hogy a felület milyen sebességgel porlasztjuk. Ezt az értéket berendezés mérőprogramjával és megfelelő kalibrációval meg lehet határozni. A módszer fő alkalmazási területei: különböző bázisú fémötvözetek összetételének meghatározása, fémbevonatok vastagságának és összetételének meghatározása fém szubsztráton, többrétegű fémbevonat vastagságának és összetételének meghatározása, műanyag bevonatok vastagságának és összetételének meghatározása fémeken, fémek felületi szennyezettségének vizsgálata (vastagság és összetétel), korróziós rétegek összetételének, mélységprofiljának és vastagságának mérése, festett felületek festési vastagságának és a festék összetételének vizsgálata, különböző rétegek összetételének meghatározása a felülettől számított mélység függvényében, különböző elemek eloszlásának mérése a mélység függvényében, fémes és nemfémes elemek koncentrációjának és eloszlásának meghatározása a felületen. 3.2. Keménységmérés, micro-vickers A Vickers eljárásnál egy négyzet alakú gyémántgúlát nyomunk bele a próbatestbe, aminek 136 a csúcsszöge. Mivel a szerszám gyémánt, így alkalmas az iparban található összes (gyémántnál puhább) anyag mérésére. Előnye, hogy 350 HV-ig a mért érték megegyezik a Brinell keménységmérésben kapott eredménnyel. Az értékét a mérés során alkalmazott terhelőerő és a lenyomat felszínének a hányadosából kapjuk. 38

18. ábra: A Vickers keménységmérés elvi felépítése HV F = (8) A lenyomat A szúrószerszám által létrehozott lenyomat felszínének meghatározásához a keletkezet lenyomat síkvetületének (négyzet) átlóját mérjük le. Ennek oka, hogy a lenyomat oldalai lágyanyagok esetében kifele nyomodnak (hordósodik), keményanyagoknál pedig befele nyomódnak (behorpad) és így nehézkesé teszi a mérését. Ezért az átlók hosszának számtani közepével számolunk. A felületet az alábbi levezetéssel kapjuk meg: ahol: Behelyettesítve: 2 2 2 a m a a d Alenyomat = 4 = 2a m= 2 = = 2 2 sin 68 sin 68 2sin 68, (9) m = a 2sin 68. (10) HV = 0,189 F (11) 2 d A gyakorlati életben a folyamat meggyorsítása érdekében táblázatot vagy számítógépet használnak. A vizsgálat során fontos paramétere a terhelőerő. Megválasztást úgy kell elvégezni, hogy a keletkezet lenyomat mélysége legfeljebb tizede legyen a vizsgált anyag vastagságának. 39

A terhelési idő, mint a mérési eredményt befolyásoló paraméter függvénye a vizsgált anyagnak. A vizsgálat során a statikus szakaszban olyan hosszan kell fenntartani a terhelést, hogy értékelhető lenyomatot kapjunk. Keményebb anyagoknál rövididő alatt kialakul az értékelhető lenyomat, mint lágyabb anyagok esetén. A Vickers keménységmérés előnyei: minden fémes anyag keménységmérésére alkalmas, pontos eredményt add, laboratóriumi mérésekhez alkalmazható, a keménység értéke kisebb mértékben függ a terhelő erőtől, mint Brinell keménységmérésnél, a terhelőerő helyes megválasztásával vékony anyagok, vékony kérgek keménységmérése is megoldható (cementált, nitridált, boridált, bevonatolt felületek stb.) Hátránya: a vizsgálat előkészítése és maga a mérés időigényes, a lenyomat méretének lemérése szubjektivitási hibákkal terhelt, korlátozott a vizsgált darab mérete. A micro-vickers eljárás is ugyanezekre az elvekre épül, csak jóval kisebb méretekben lehet alkalmazni, mint például egy felületkezelt próbatest metszetén lehet mérni a rétegek keménységét és annak változását. Természetesen ehhez jóval kisebb terhelőerőket kell alkalmazni (1-10N). 40

4. Az elvégzett kísérletek során alkalmazott anyagminőség Diplomatervemben a 16MnCr5 (AISI 5115) anyag cementálásával fogok foglalkozni. Ez az acél a gépiparban széles körben elterjedt, mint jól betétedzhető anyag: a mag szakítószilárdsága megfelelő hőkezelés esetén R m :800-1100 N / mm és kopási ellenállása cementálással megfelelően jó lehet. Ezekért a tulajdonságokért leginkább autóalkatrészként, tengelyek, kapcsoló, szelepek anyagaként használják. Nem csak cementálni, hanem karbonitridálni és boridálni is szokták. 2 C(%) Si(%) Mn(%) Cr(%) S(%) 0,16 0,25 1,15 0,95 0,02 2. táblázat: Az AISI 5115 anyagminőség szabványos vegyi összetétele [15]: Mechanikai tulajdonságok: Folyáshatár: R p0,2:440-635 N / mm Szakitószilárdság: R :800-1100 N / mm m Fajlagos nyúlás: A:8-11% Hőkezelésekkel kapcsolatos technológiai adatok: Normalizálás: 840-870 C Cementálás: 880-980 C Mag edzése: 860-900 C (olaj-polimer, sófürdő) Felületedzés: 810-840 C(olaj polimer, sófürdő(160-250 C)) Elérhető keménység edzéssel: 22-42 HRC Elérhető keménység cementálás+edzéssel: 57-64 HRC A Böhler által megadott Jominy-sávot a 19. ábra mutatja. 2 2 41

19. ábra: Az AISI 5115 anyagminőséghez tartozó Jominy-sáv [16] 4.1. Szakirodalmi tapasztalatok a 16MnCr5 anyagminőség cementálásánál Az adott anyagminőség cementálásához kapcsolódó irodalomkutatás során talált cikkek eredményeit összegzem az alábbiakban, további referenciaként szolgálva a végeselemes szimulációk során. 4.1.1. Sófürdős cementálás Ezt a cikket a "Vacuum" címen futó folyóiratba prezentálták, és a sófürdős nitridálás hatásait mutatja be a SAE 8620 és a 16MnCr5 anyagminőségre. Ebből minket csak az utóbbi érdekel. A teszt munkadarabok 22mm átmérőjű melegen hengerelt, és ezekből húzott 20 mm átmérőjű pogácsák voltak [17]. A cementálást 920 C-on végezték NaCN sófürdőben, Dufferit eljárással 1%-os karbonpotenciálon, 1,2,3 végül 4 órán át. Majd AS 160 sófürdőben edzették és 180 C-on megeresztették. A hőkezelt munkadarabokat először röntgen-diffrakcióval vizsgálták, majd keménységet mértek (HV 0,2 ), végül a kopási tulajdonságokat nézték meg wolframkarbid golyó segítségével. 42

A kopást ráta az alábbi képlet segítségével számolták: Ahol: a W : kopási ráta ( mm 3 / Nm ) G: a tömeg csökkenése (mg) M: a terhelés (N) S: a megtett kopási táv (m) 3 d: sűrűség ( g / cm ) Eredmények: G Wa =. (12) d * M * S A röntgenvizsgálat megerősítette a martenzit jelenlétét, tehát a cementálás sikeres volt. Martenzit, ausztenit és oxid fázisok voltak a felületen. Az idő előre haladtával nőtt a cementált réteg mélysége. A kopási tulajdonságok függtek a felület keménységétől. A hidegen húzott próbadarabokkal jobb kopást értek el. 20. ábra: Sófürdős cementálás utáni keménység a 16MnCr5 acélon [17] 43

21. ábra: Sófürdős cementálás utáni keménység a 16MnCr5 acélon [17] 22. ábra: Sófürdős cementálás utáni kopási ráta a 16MnCr5 acélon [17] 44

23. ábra: Sófürdős cementálás utáni kopási ráta a 16MnCr5 acélon [17] Egy másik tanulmány, szintén sófürdős cementálás, a legelterjedtebb termokémiai felületkezelő eljárásokat hasonlítja össze a keménységi és kopási tulajdonságok alapján. A cementálás szintén folyadék fázisú volt. A munkadarabok 20*20*30-as hasábok voltak, amiket hőkezelés után políroztak és 2%-os salétromsavban maratták [18]. A hőkezeléseket a 3. táblázat foglalja össze. Az AISI 8640-es anyagminőségét (40NiCrMo, 1.6546) a koptatáskor használt ellendarab anyaga. Anyag Felületkezelés Hőmérséklet (C ), közeg AISI 1020 AISI 5115 Időtartam (óra) Edzési hőmérséklet (C ) Megeresztési hőmérséklet, idő (C, óra) Cementálás 930, folyékony 1,5-3-4 840 200, 1 óra Karbonitridálás 860, gáz (12 m 3 /óra, edogáz+0,8 m 3 /óra ammónia) 3,5 840 200, 1 óra Boridálás 930-950 1,5-3 Cementálás 930, folyékony 1,5-3-4 840 200, 1 óra Karbonitridálás 860, gáz (12 m 3 /óra, edogáz+0,8 m 3 /óra ammónia) 3,5 840 200, 1 óra Boridálás 930-950 1,5-3 Edző közeg Olaj 50C, 30 perc Olaj 50C, 30 perc Olaj 50C, 30 perc Olaj 50C, 30 perc AISI 8640 Boridálás 950 1 850, 1 óra Levegő 3. táblázat: A munkadarabokon alkalmazott hőkezelések 45

Eredmények: Cementált 5115 Cementált 1020 Keménység (HV 0,2) Nitrocementált 1020 Nitrocementált 5115 A felülettől mért távolság (mm) Boridált 5115 Boridált 1020 Keménység (HV 0,2) A felülettől mért távolság (mm) 24. ábra: A cementált, boridált és nitrocementált AISI 5115 (16MnCr5, 1.7131) és AISI 1020 (C20, 1.0402) anyagminőségek keménysége [17] A kopási értékek megegyeztek a fentebb (4.1.1) tárgyalt cikkben kapott eredményekkel ezért azokat nem írom le megint. Viszont a súrlódási együtthatóra is hatással vannak ezek a felület kezelések, ezek értékét a 25. ábra mutatja meg. 46

Kezeletlen 1020 Kezeletlen 5115 Cementált 1020 Cementált 5115 Nitrocementált 1020 Nitrocementált 5115 Boridált 1020 Boridált 5115 Súrlódási eggyütható ( ) Terhelés (N) 25. ábra: A súrlódási tényezők alakulása hőkezelés előtt és után [17] A mikroszkópos képen jól látszódtak a martenzit tűk, amik a cementálás után végrehajtott edzésnek köszönhetően alakulhattak ki. 26. ábra: A cementált réteg mikroszkópos képe (mind az AISI 5115 és AISI 1020 anyagminőségre érvényes), benne a martenzit tűkkel, 860 C-on és 3,5 óráig cementálva 2000x-es nagyításban [18] 47

Összességében: A cementálásssal lehet a legvastagabb rétegmélységet elérni, habár annak a tulajdonságai (kopás és a súrlódás) nem lesznek olyan előnyösek mint a nitrocementálásnál. Boridálással érhető el a legnagyobb keménység, viszont a borid réteg vékony és rideg. 4.1.2. Vákuumcementálás Manapság egyre elterjedtebb módja a cementálásnak, a tanulmány azzal foglalkozik, hogy a 16MnCr5 anyagminőségen különbözőképpen kivitelezett vákuumcementálás (alacsony nyomású cementálás, LPC / Low Pressure Carburizing) milyen hatással van a szövetszerkezetre és a karbontartalomra. A kísérletek során a boost és diffúziós ciklusok (lásd:2.4.1. fejezet) mennyiségét és hosszát változtatták és az alábbi eredményeket kapták. A hőkezelés végeztével megmérték a munkadarabban, hogy mennyivel nőt a karbon koncentráció. Az eredményeket EDC-vel mérték (27. ábra). 27. ábra: A karbon koncentráció változása az alkalmazott ciklusok függvényében; magyarázat: 5n_w1 az 5 perc boost és 1 perc diffúziót jelent 48

A szövetképekben is jelentős különbség figyelhető meg (28. ábra): Az "a" képen 2 perces boost idő esetén karbon kiválás figyelhető meg az egykori ausztenit szemcséken. A "b" képen 5 perces boostot használva az ausztenit szemcséken megjelennek a finomszemcsés karbidok is. A "c" képen 10 perces boostról beszélhetünk, látható, hogy a karbidok mennyisége jelentősen megnőtt. 28. ábra: A különböző képpen elvégzett vákuumcementálás szövetképei 1000xes nagyításban [13] 49

5. Az elvégzett kísérletek A szakdolgozatom készítése során 50 mm átmérőjű és 10 mm vastag pogácsákat vágtunk az adott anyagminőségből és ezeket cementáltuk, hőkezeltük, majd elvégeztük rajta az általunk elérhető vizsgálatokat (GDOES, keménységmérés). 5.1. Az alkalmazott technológiai paraméterek A próbadarab cementálását a Budapesten található Csepeli Szerszámedző Kft.-nél végezték. A melegítést lépcsőzetesen végezték először 850 C-ra majd a 925 C-os cementálási hőmérsékletre, ahol földgáz és oxigén keverékét használták cementáló közegként. A hőkezelés során a karbonpotenciált a 30. ábra mutatja. A cementálás utolsó szakaszában minden bizonnyal dekarbonizáció lép fel, mivel a hűtés során nem tartották szinten a karbonpotenciált [19]. Az edzés nem közvetlenül történt, hanem először lehűtötték a munkadarabot, majd utána végezték el az edzést. 29. ábra: Az AISI 5115 próbadarabon alkalmazott hőkezelés 50

A karbonpotenciál változása 1,2 1,1 A karbonpotenciál 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,6 0 2 4 6 8 10 12 Eltelt idő (h) 30. ábra: A karbonpotenciál változása az AISI 5115 anyagminőség cementálása során 5.2. Keménységmérés A betétedzett próbadarabokat kettévágás majd síkra köszörülés után csiszoltam. A próbatest mérésre való előkészítése során oda kell figyelni, hogy megfelelően legyen hűtve, ugyanis a megmunkálás során a hőmérséklet megnövekedhet annyira, hogy az anyagban újrakristályosodás menjen végbe, ami torzítaná az eredményeket. A vágott felület csiszolását rendre 120, 320, 500, 1000, 1500-as csiszolópapírral végeztem, természetesen itt is folyamatos vízhűtés mellett, majd 3 µ m -os gyémántpasztával políroztam. Az alkalmazott marószer 2%-os salétromsav ( HNO ) oldat, más néven nitál volt. 3 Maratás után már szabad szemmel is jól láthatóvá vált a cementált réteg. 51

31. ábra: A cementált próbadarab, rajta a cementált kéreggel A micro-vickersmérés során a terhelése 1 N volt (HV 0,1). 5.2.1. A mért eredmények Három méréssorozatot végeztem el, mindegyik egymástól 0,15 mm távolságra helyezkedett el. Méréssoronként 20 lenyomatot készítettem, egymástól változó távolságra (a kéreg közelében sűrűbben, a mag felé haladva egyre ritkábban). Az első lenyomatot nem lehet közvetlenül a felületen elhelyezni,a gyémántgúla megóvása érdekében ezért 30 µm-re helyeztem el a felülettől. A mért értékek az 1.sz mellékletben találhatók. 1,4 mm-es mélységben a keménység átlépte a szakirodalomban általánosan meghatározott cementált kéreghatárnak előírt értéket, ami a HV 500-as (lásd1.5.1 bekezdés). A 34. ábra a méréssorok átlagértékeit mutatja. 32. ábra: A lenyomatok az AISI 5115 próbatest felületén, 100x-es nagyítás 52

A 33. ábra a betétedzés után kialakult szövetszerkezetet mutatja, ami sok martenzitet tartalmaz. A felvétel 0,4 mm mélységben készült, itt volt tapasztalható a legnagyobb keménység. 33. ábra: A cementált kéregben kialakult martenzit tűk, 1000x-es nagyításban 34. ábra: A keménység eloszlása a cementált+betétedzett 16MnCr5 (AISI 5115) próbatestben 53

Látható, hogy a maximális értéket körülbelül 0,4 mm-nél éri el az anyag, ez megegyezik a hasonló anyagokkal végzett irodalomban olvasható kísérletekben tapasztalhatóval. 5.3. GDOES mérés A mérés folyamán a felületet csak egy vékony rétegben tudták porlasztani és ezzel mérni a kémiai összetételt. A legmélyebb pont amit elértek az 100 µ m volt, ezt 500 Pa-s nyomáson (ami valójában inkább vákuum) és 25W teljesítmény közlésével érték el. Mivel a gázcementálás során a karbonpotenciál pontosan szabályozható, a kapott eredmények elsőre helytelennek tűntek. A görbe által mutatott karbontartalom a felszínen hatalmas volt, majdnem 8%, ami lehetetlen, és a legmélyebb pontban (100µm) sem érte el az elméletileg várt karbontartalmat. A munkadarab által tartalmazott többi elem %-os tartalma viszont pontos képet mutatott. A fenti problémák feloldására a magyarázat, hogy cementálás után a munkadarab nem volt tisztítva ezért a cementáló közegből sok maradék C lehetett a felületen és az edzés után az olaj is ott maradt, ezt mutathatta a GDOES eredménye a felszínen, mivel a felülettől 3-4 mikron távolságra a C tartalom már normalizálódik, az elvárt értékekhez hasonló eredményt ad. Ezt alátámasztja az is, hogy az Fe tartalom ugyanezen a szakaszon lényegesen kisebb, mint a munkadarab többi részén, ami szintén valószínűtlen hiszen ez az elem a hőkezelés során nem tűnik el, nem változik a mennyisége, ezért jogos az a következtetés, hogy a kezdeti irreális értékek egy felületen megtapadt karbon rétegnek köszönhetőek. A másikra a 35. ábra ad magyarázatot: a felület közeli rétegekről kaphattunk információt. Látható, hogy a C tartalom növekvő tendenciát mutat, habár csökkenő meredekségű. Ha összevetjük a 34. ábra adataival akkor azt láthatjuk, hogy a felületen a keménység kisebb az alacsonyabb C tartalom miatt (amit a cementálás utolsó szakaszában fellépő dekarbonizálás okozott), ami még nem elég ahhoz, hogy az edzés során martenzit alakuljon ki, kicsivel beljebb viszont a magasabb karbon koncentráció a maradék ausztenit miatt okozhat keménység csökkenést. A keménység fokozatosan nő a, körülbelül, 0,25 mm-es mélységig, ezt a mélységet sajnos nem tudtuk elérni, viszont ott már megfelelő körülmények lehetnek ahhoz, 54

hogy a keménység kialakuljon és valószínűsíthető, hogy a mag felé haladva, folyamatosan csökkenni fog a C tartalom, egészen az alapanyag 0,16 %-os karbontartalomig. 1,2 1 Karbontartalom a munkadarabban Karbon tartalom (%) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 10 20 30 40 50 60 A felülettől mért távolság (mikrométer) 35. ábra: A GDOES vizsgálattal mért karbontartalom az AISI 5115-ös próbadarabon 55

6. Visual Environment A Visual Environment, régebben Sysweld néven volt elérhető, egy az ESI-Group által forgalmazott végeselemes szimulációs program. Már több mint 20 éve van a piacon és a mérnöki élet különböző területeire szállít szoftvereket, mint például: öntészet, lemezalakítás, zaj- és rezgéselemzés, elektromágneses vizsgálatok, stb. A Visual Environment egyik legfontosabb profilja a hegesztés és az ezzel kapcsolatos folyamatok szimulálása és kiértékelése. Emellett még megtalálható többek között egy hőkezelési modul is, ami talán nem annyira fejlett, mint az előbb említett és kevesebben is használják, csak kifejezetten ezt a részét. Rengeteg időt és erőforrást lehet megspórolni az alkalmazásával, mivel a hőkezelt acélok az egyszerű mindennapi tárgyaktól kezdve egészen a repülőgép iparig mindenhol megtalálhatók, ezért nagyon széles körben lehet alkalmazni. A program alkalmazásának segítségével: Elkerülhetők a hibák. Optimalizálható a termék design. Finomítható a gyártási folyamat. Növelhető a biztonság. A vetemedést megfelelőképpen tudjuk kezelni. A megmunkálás során fellépő feszültségek feltárhatók és kezelhetők. A hőkezelés területén is folyamatosan fejlődik, ma már a cementáláson kívül lehet benne nitridálni, boridálni, nitrocementálni és a lehetőségek folyamatosan fejlődnek [20]. Összességében e program használatával rengeteg pénz és idő spórolható meg, hiszen nem kell a különböző hőkezeléseket elvégezni, hanem már a folyamat elején képet kapunk a várható eredményről. Azonban a program által kapott eredmények validálása a használatkezdetén nem hagyható el. Dolgozatomban ezt a feladatot tűztem ki célul. 56

A diplomamunkámban a szoftvert két feladat megoldására használtam. Az egyik a 16MnCr5 anyagminőség cementálásának szimulálása a fentiekben leírt és megvalósított kísérletnek megfelelően, majd az eredmények összevetése a valóságban mért értékekkel. Ezzel egy erős viszonyítási alapot kapunk arról, hogy a programban számolt értékek mennyire felelnek meg a valóságban mért értékekkel. A másik pedig, arra irányul, hogy megnézzük, hogy az azonos körülmények között hőkezelt, de változó méretű munkadarabok esetén az eredmény mennyire hasonlít az irodalomban [7]olvasható kísérleti tapasztalatokkal. 6.1. Saját kísérlet szimulációja A szimuláció elvégzésének az első lépése, hogy elkészítsük a vizsgálni kívántmodellt. Az én esetemben ez egy egyszerű test volt, de természetesen ezeknél jóval bonyolultabb formák, és alkatrészeket is kell tud kezelni a program. A program modellező része nincs annyira jól felépítve, mint a piacon található egyéb termékeke (NX, CREO). Ez persze nem okoz gondot, mert szinte az összes modellező szoftver által használt formátumot tudja kezelni a Visual Environment, így elég csak a kész modellt beimportálni, majd azon elkészíteni a hálót és megadni a hőkezelés, hegesztés paramétereit. Az egyszerű geometria ellenére én is így tettem a diplomamunkámban. Először a CREO 3.0-ás verziójában megcsináltam a modellt, lementettem "iges" formátumban és azt importáltam be a Visual Environmentbe. A továbbiakban az alábbi lépéseken kell végigmenni: A modellen egy háló készítése, ami a szimuláció során felhasznált csomópontokból áll. Peremfeltételek megadása, erre azért van szükség, hogy a hőkezelő modul, tudja honnan és hova történik a diffúzió, hőátadás stb. A hőkezelés paramétereinek megadása A szimuláció futtatása Az eredmények kiértékelése 57

6.1.1. A háló elkészítése A végeselemes háló elkészítésére azért van szükség, mert a létrejövő csomópontok és az azokhoz vezető út alapján végzi a program a számolásokat. A háló sűrűsége meghatározza a szimuláció pontosságát, de egyúttal növeli a lefutáshoz szükséges időt is. Mivel számomra a felületen végbemenő kémiai változások a lényegesek, ezért célszerűbb a felületnél sűríteni a hálót. Erre lehetőség van egy "layer" létrehozásával, amelynek segítségével más paramétereket adhatunk meg a felületen, mint a munkadarab magjában. A szoftverlicensz alapján 60000 elemet tud maximum kezelni (a háló ennyi csomópontból és 2D-s elemből állhat). Ha a 3D-s modellre szeretném ezt alkalmazni, akkor-ránézésre- meglehetősen ritkára sikerülne háló. Szerencsére a Visual Environment "Heat Treatment" moduljába nem csak 3D modellt (solid), hanem keresztmetszetet (2D cross section) és forgásszimetrikus (2D rotational) keresztmetszetet is meg lehet adni. Erre azért van lehetőség, mert a diffúzió vagy a hőátadás jól szimulálható2 dimenzióban is. Ennek a lehetőségnek az az előnye, hogy nagyobb elemsűrűséget érhetünk el a szimulációhoz, ezzel pontosítva a számításokat, vagy csökkentve a gépidőt. 36. ábra: A létrehozott háló ami 28065 elemből áll 58

Én is ezt a módszert alkalmaztam, majd a modell megfelelő részén egy felületet létrehozva kijelöltem, hogy a modell melyik részén kell, hogy végbemenjen a cementálás+betétedzés. Az eredmény egy 28065 elemből álló modell lett, ami a szélek felé exponenciálisan sűrűsödik, a mag viszont ritkább hálózású. A fentebb említett "layer" vastagságának 2,5 mm-t adtam meg a 5.2 fejezetben a próbadarabon mért keménységeloszlás alapján. 6.1.2. Peremfeltételek megadása Itt lényegében a program által "collector"-nak nevezett elemeket kell létrehozni, mivel később a hőkezelésnél ezekkel tudod megadni, hogy hol történjenek a fizikai/kémiai folyamatok. A mi esetünkben három féle "collector"-t kell definiálni: Skin: ezek 1 dimenziós elemek, amelyeket 2D-s felületből származtatunk, úgyhogy körbefut azon területek körül, ahol a hő-és ötvözőelem-átadás végbemegy (37. ábra piros vonallal jelölve). Ennek megfelelően arra szolgál, hogy a hőfizikai folyamatok helyét megadjuk. A karbon és a hő ezen a felületen keresztül fog átadódni, illetve be-és kiáramlani anyagban. Jelen esetben elég csak három oldalt kiválasztani, mivel a felületet a program forgatni fogja, így hozva létre a próba test formáját. Surface: ez szolgál arra, hogy kijelöljük a használt anyag a modell melyik részében (felület, vagy térfogat) van értelmezve. Ennek tartalmaznia kell a már létrehozott csomópontokat és elemeket. Megfogási felület: ezek olyan pontok a modellen amik arra szolgálnak, hogy a hőkezelés alatt a megfogás típusát és a megfogási pontokat meg tudjuk adni. Lehetnek csomópontok (node), de akár felületek is 59

37. ábra: A felületből képzett 1D-s réteg (skin) 6.1.3. A hőkezelő modul, a cementálás paramétereinek megadása A hőkezelés definiálásánál 8 ponton kell végigmennünk. Elsőként meg kell adnunk a munkakönyvtárat és a projekt nevét. Itt adhatunk egyéb leírásokat is a név mellett, hogy könnyebb legyen azonosítani a fájlokat. 38. ábra: A projekt adatainak megadása Második lépésként az elvégezni kívánt hőkezelések kiválasztása a feladat. Látható, hogy cementálás, hevítés, edzés és megeresztés közül lehet választani. Sajnos a megeresztést hiába lehet kiválasztani, az általam elérhető programverzió (10.5) tapasztalataim szerint nem végezte el, ezért a kapott eredményeket is ennek a figyelembe vételével fogom értékelni. Valamint itt lehet kiválasztani, hogy a modell, milyen geometriával rendelkezik. Ha 3D modellt használunk, akkor csak a "solid" 60

opciót lehet kiválasztani, ha 2D-s akkor a "2D cross section" és a "2D rotational" is elérhető. Én az utóbbit használom. 39. ábra: A hőkezelési folyamatok kiválasztása Harmadik lépésként kell az anyagminőséget megadni, a már létrehozott felülettel, ha van "collector" hozzárendelve akkor azt automatikusan felismeri. Az anyagok többféleképpen vannak benne csoportosítva. Az általam használt szoftverben, az elérhető anyagok mennyisége elég csekély volt, de természetesen a megfelelő anyagtulajdonságok ismeretében lehet egyedileg definiálni másanyagokat. 40. ábra: Az anyagminőség kiválasztása 61

Negyedik lépésként a hőkezeléseket kell megadni. Mindegyiknél meg kell adnia hőmérsékleti görbét. Természetesen minden pontjában meg kell határozni, hogy hol történjen a hő és anyagátadás, erre szolgál a "collector"ként meghatározott "skin". A "heating" fül alatt lényegében az edzés előtti melegítési folyamatot határozzuk meg. Meg kell adni, hogy milyen hőmérsékletre és, hogy mennyi idő alatt melegítettük fel. 41. ábra: A melegítés megadása A "carburization" alatt a cementálás paramétereit kell megadni. Elsőként szintén a "collector" kiválasztása, majd a megfelelő hőmérsékleti és karbonpotenciál görbék felvétele szükséges. Itt be is lehet hívni előre megadott görbéket, vagy újakat hozhatunk létre. Természetesen a már a 5.1 fejezetben megadott adatokat használtam. A kék vonal a hőmérsékletet, a piros a karbon potenciált mutatja az idő függvényében. 62

42. ábra: A cementálás hőmérsékleti és karbon diagramjának definiálása A "quenching" azaz edzés megadásánál az edző közeget, annak a hőmérsékletét és a hőntartás idejét kell megadni. A többi paramétert a szoftver magától kitölti. Ha a "tempering", vagyis megeresztés be lenne kapcsolva, akkor ott is egy T-t diagramot kéne megadni. 63

43. ábra: Az edzés paramétereinek meghatározása Az ötödik lépés a megfogási feltételek megadása, én itt x-y irányban való merev rögzítést alkalmaztam, de igazából ezen feladat elvégzéséhez szinte bármelyik megfelelt volna. Nagyobb jelentősége akkor lett volna ennek az opciónak, ha valamilyen terhelő erő is szerepelt volna a kísérlet körülményei között. A megfogási pontokat azokkal a "node" okkal definiáljuk, amiket korábban már "collector" státuszba helyeztünk. A megfogás idejének megadásakor a cementálást nem kell figyelembe venni. 64

44. ábra: A megfogás idejének meghatározása A hatodik és hetedik lépést nem használtam, itt a munkadarabra ható terheléseket és más felületi érintkezéseket lehet megadni. 65

45. ábra: Terhelés, deformáció és érintkező felületek megadása Az utolsó lépésben a megoldási paramétereken lehet finomítani (a számítások részletezése és egyéb paraméterek), valamint innen lehet indítani a szimulációt a "solve" gomb lenyomásával. 46. ábra: A megoldási paraméterek 66

6.2. A 16MnCr5 cementálás szimulációjának az eredményei Az eredmények megtekintésérés elemzésére, a "Visual Viewer" modul használható. 6.2.1. A karbon tartalom a munkadarabban 47. ábra: A karbon tartalom eloszlása a mag felé (%) A diagram a munkadarabban a karbon mennyiségének változását mutatja a felülettől a mag felé. Látható, hogy a felületen itt is létrejött a dekarbonizáció, mivel a lehűlés folyamán, fokozatosan csökken a cementáló atmoszféra karbon potenciálja, majdnem 0% az értéke a felületen. A maximális érték 1,09% csak a munkadarab sarkain maradt meg, ez persze volt magasabb is a dekarbonizáció előtt, ez megfelel a 9 órán át tartó cementálás karbonpotenciáljának. Az alapanyag C tartalmát körülbelül 2,6 mm mélyen éri el. 67

6.2.2. A keménység eloszlása A program a keménységet HV-ban adja meg. 48. ábra: A keménység változása a mag felé (HV) A felületen a keménység alacsony: 466 HV, ez minden bizonnyal az alacsony C tartalomnak köszönhető, azonban ahogy beljebb haladunk, egyre magasabb értékeket kapunk. majd folyamatosan el kezd csökkenni a keménység. A maximális értékét körülbelül a felülettől 0,4 mm-re éri el, ez 796 HV-nak felel meg. A cementált kéreg vastagsága, amit 500 HV értékig értelmezünk az 1,8 mm. 68

6.2.3. Szövetelemek mennyisége, eloszlása A Visual Environment öt féle szövetelemet és azok eloszlását tud megjeleníteni az eredményeknél számmal jelöli az alábbiak szerint: 1. ferrit és perlit (49. ábra) 2. felső bénit (50. ábra) 3. martenzit (51. ábra) 4. alsó bénit (52. ábra) 5. ausztenit (53. ábra) 49. ábra: A ferrit és perlit eloszlása 50. ábra: A felső bénit eloszlása 69

51. ábra: A martenzit eloszlása 52. ábra: Az alsó bénit eloszlása 53. ábra: Az ausztenit eloszlása 70

A szövetelemek egymáshoz viszonyított eloszlását a függőleges"y" tengely mentén az 54. ábra mutatja. Ha a szövetelemek eloszlását összevetjük az eredményül kapott keménység eloszlással, látható, hogy a martenzit, az ausztenit és a bénit mennyiségének a viszonya van hatással a keménységre. A felület közelében ahol viszonylag sok a maradék ausztenit ott alacsonyabb értékeket kaptunk, míg beljebb fokozatosan nő a keménység, a martenzit maximumáig, ami 0,4 mm-nél található. Ettől a ponttól kezdve egyre több bénit van jelen a martenzit tartalom csökkenése mellett. Ennek oka, hogy a felülettől távolodva a hőelvonás sebessége csökken, ami nem kedvez a martenzit kialakulásának. A ferrit perlit eloszlása A martenzit eloszlása Az alsó és felső bainit eloszlása Az ausztenit eloszlása A szövetelemek aránya (%) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% % 0 1 2 3 4 5 6 A felülettől mért távolság (mm) 54. ábra: A szövetelemek egymáshoz viszonyított eloszlása a felülettől mért távolság függvényében 6.2.4. A maradó feszültségek A szimuláció indításakor lehetőség van kiválasztani, hogy a mechanikai tulajdonságokat is számolja a szoftver. Ezzel meghatározható az anyagban keletkezett maradó feszültség. Ez a feszültség növeli a szilárdsági tulajdonságokat és növeli az ellenállást a kopással, kifáradással szemben [21]. Számunkra az az előnyös, ha olyan maradó feszültséget tudunk létrehozni, ami a későbbi erőbehatásokkal ellentétes irányú, mivel a behatás kialakult és meglévő 71

feszültségek szuperponálódnak, így bizonyos mértékben kioltják egymás hatását. Kedvezőtlen esetben a feszültségek erősíteni fogják egymás hatását, ilyenkor viszont az alkatrész tönkremegy. Az iparban maradó feszültséget a betétedzésen kívül még görgőzéssel és szemcseszórással szoktak bevinni [22]. Ez esetben ezt a feszültséget a martenzit kialakulása okozza, azzal, hogy agresszív növekedésének hatására torzítja a kristályrács szerkezetét és a nagyobb fajtérfogatának köszönhetően alakul ki a nyomó maradó feszültség. 55. ábra: A maradó feszültség a munkadarabban (MPa) Az 55. ábra a fellépő feszültségeket mutatja. Látható, hogy a felszín alatt kékkel jelölve nyomó maradó feszültség ébred, maximális értéke 575 MPa. A modell belsejében húzó maradó feszültség van, aminek a maximális értéke 292 MPa. Megeresztéssel ezeket a feszültségeket lehet csökkenteni. 72

6.2.5. A mért és a szimulációs eredmények összehasonlítása A mért és a szimulált keménységi értékek összehasonlítása 900 800 793 Keménység (HV 0,1) 700 600 500 400 462,8 653 500 418 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 A felülettől mért távolság (mikrométer) A cementált próbadarabon mért keménység értékek A Visual Enviroment álltal számolt eredmények 56. ábra: Mért és szimulált keménységi görbék összehasonlítása (VEM és valós érték) Ha összehasonlítjuk a számolt és a mért eredményeket, akkor kijelenthetjük, hogy a görbék lefutása hasonló, szinte párhuzamosan futnak egymással. A keménységbeli eltérésnek több oka van: Az első és egyben a legfontosabb, hogy a valóságban az edzés után volt egy 2 órás megeresztés 160 C-on. A Visual Environment ezt a műveletet (legalábbis az általam hozzáférhető verzió) nem tudja elvégezni. Mivel a megeresztés elsődleges célja a maradó feszültség leépítése és ridegség csökkentése, várható, hogy ennek hatására csökkenni fog a keménység. Másik ok, hogy a megeresztés során hiába volt alacsony a hőmérséklet, ahol a martenzit még nem fog átalakulni szferoiditté, de sok ideig hagytuk bent a kemencében, és az idő növelésével szintén elősegíthető a martenzit megeresztődését. A két görbe közötti pontok távolsága is ezt támasztja alá: o A felszínen a keménység szinte hajszálpontosan megegyezik, itt se nagy maradó feszültség nem volt, se sok martenzit. 73

o A 0,4 mm-és mélységnél a legnagyobb az eltérés: a 6.2.3-as és a 6.2.4-es fejezetben látható hogy itt van a legtöbb martenzit és a legnagyobb nyomó maradó feszültség. Mivel a megeresztés pont ezekre a területekre van a legnagyobb hatással, így reális, hogy a két görbe között itt lesz a legnagyobb a távolság. o Beljebb haladva az eltérés csökken, itt a bénit mennyisége fokozatosan nő. Mivel egyre kevesebb a martenzit és egyre több a bénit a megeresztés a szövetszerkezetből fakadó keménységre nincsen akkora hatással, egyedül a feszültségek leépülése a meghatározó. Az eltérések másik oka, hogy a szoftver néhány paramétert nem tud figyelembe venni. Ilyen például a szemcseméret, ami befolyásolja a hő és a karbon diffúzióját is a munkadarabban. 1,2 Karbontartalmak összehasonlítása 1 Karbon tartalom (%) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Karbontartalom a munkadarabban A Visual Environment által számolt C tartalom 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 A felülettől mért távolság (µm) 57. ábra: A karbontartalom változása az AISI 5115 anyagú próbadarab esetében (VEM és valós érték) Esetünkben a GDOES vizsgálattal csak a felület közelében tudtunk C tartalmat mérni, de ahol a két vonal metszi egymást, ott egyezik az eredmény, szinte egymáson halad a két görbe, a 0,05 mm-es mélységet elérve a C tartalom mindkét esetben 0,6 % körüli. A felületen lévő eltérést az okozza, hogy a valóságban a hőkezelés után maradék karbon és reve volt a felületen, a szimulációban viszont a lecsökkentett 74

karbonpotenciál miatt a felületen szinte semennyi C nincsen. Ez okozza, hogy a görbék a felület közelében ellenkező irányba mozognak. A maradó feszültség mérésére, sajnos nem volt lehetőségünk röntgen diffrakciós vizsgálat segítségével. 6.3. Eltérő méretű, azonos formájú munkadarabok C diffúziójának és kialakult keménységének a vizsgálata Mint azt a szakdolgozatom 1.5.1 fejezetében is leírtam a próbadarab mérete hatással lehet az edzés után kialakult kéreg vastagságára és a felületre merőlegesen mértkeménységi értékek lefutására. A BS 637M17 (EN 352, 15CrNi6, 1.5919) acélosztály esetén a cementált kéreg vastagságának csökkenése olajban történő edzés esetén egy 10mm ármérőjű és egy 145 mm átmérőjű munkadarab között akár 0.8 mm is lehet (előbbinél a felület alatti HV 500-as keménységi értéket az 1.6 mm, míg az utóbbi esetén a 0.8 mm mélységben éri el), ahogy azt a 9. ábra eredményei is mutatják (a cementálási paraméterek megegyeztek). Vízben történő edzéssel ez az eltérés csökkenthető (1.5.1 fejezet). Ez a víz erélyesebb hűtési tulajdonságai miatt lehetséges. A továbbiakban kiválasztok egy anyagot és végeselemes szimulációt végzek különböző átmérőknél, hogy hogyan viselkedik olajban, majd vízben edzve. 6.3.1. A kiválasztott anyagminőség, próbatestek A Visual Environmentben elérhető anyagminőségekről a 4. táblázat ad képet. Az azonos színnel jelöltek azonos anyagminőségnek felelnek meg. Habár két lehetőség közül választhattam az SS 2506-os anyagminőség mellett döntöttem, mivel a forrásban több eredmény volt prezentálva erről az anyagról. 75

A Visual Environmentbe elérhető betétben edzhető anyagminőségek Tartalom % C Si Mn P S Cr Ni Mo 18CrNiMo7-6 0,15-0,21 max 0.4 0.5-0.9 max 0.025 max 0.035 1.5-1.8 1.4-1.7 0.25-0.35 20MnCr5 0.17-0.22 max 0.4 1.1-1-4 max 0.025 max 0.035 1-1,3 20MoCr4 0.17-0.23 max 0.4 0,7-1 max 0.025 max 0.035 0.3-0.6 0,4-0,5 A "K. E. Thelning: Steel and its heat treatment" könyveb megtalálható anyagminőségek (amikről van adat a hőkezelésről és eredmények is vannak) SS 2506 0.2 0.29 0.88 0.022 0.044 0.5 0.58 0.18 SS 2511 0.18 0.3 0.79 0.022 0.025 0.78 1.46 0.07 SS 2514 0.12 0.25 0.52 0.025 0.007 0.71 2,9 0.04 SS 2523 0.20 0.27 0.94 0.022 0.043 1 1,17 0.12 4. táblázat: Elérhető anyagminőségek és kémiai összetételeik A próbatestek átmérői 25, 50, 75, 100 mm-ek voltak, a hosszúságuk pedig az átmérő háromszorosa. 6.3.2. Hőkezelés A forrásban [7] alkalmazott betétedzés paramétereit fogom alkalmazni a szimulációs szoftverben. A munkadarabok gázcementálva voltak. Cementálás során három időtartam volt alkalmazva: 5, 15 és 25 óra, de én ebből csak a 15 órát vizsgálom, mert már ennél az időtartamnál is elég szembetűnő az eltérés és a cementálási időnövelésével a diffúzió egyre jobban korlátozódik, és ezzel a kéreg vastagodása exponenciálisan lassul. Ez idő alatt kétféle karbonpotenciált használtak, 10 órán át 1,1%-os, majd 5 órán át 0,8%-osat. A szimulációban a 25 mm-es, 50 mm-es és a 100 mm-es átmérőket alkalmaztam, mivel a forrás szerint a keménységeloszlásban a változás 75 mm fölött kezd jól észlelhetően megjelenni. Az 50 mm-es próbadarabot csak egyfajta kontrollként vettem bele, mivel csak itt volt elérhető a karbontartalom változása a próbatestben. Mivel a próbatestek méretei jelentősen eltérnek, ezért nem akartam rájuk pontosan ugyanazokat a hevítési és hűtési időket alkalmazni. A megfelelő eredmény eléréséhez szükséges melegítési és lehűtési idők jelentősen eltérhetnek az egyes átmérők függvényében. Mivel ezekről nem találtam adatot, ezért azokat hőkezelési segédlet segítségével határoztam meg. Az értékek a 58.ábra mutatja. A cementálásnál a hűtési időnél az olajban végzett hűtést vettem alapul, mivel az eredeti forrásban is hűtőközeget alkalmaztak [9][23]. 76

A végeselemes szimuláció során a megeresztést nem fogom megadni, mivel azt a program nem tudja elvégezni. Cementálás Próbatest átmérője (mm) Melegítési idő (s) Hűtési idő (s) 25 1500 1000 50 3000 1000 100 6000 1000 Edzés Megeresztés Próbatest átmérője (mm) Melegítési idő (s) Melegítési idő (s) Hűtési idő (s) 25 1500 600 600 50 3000 600 600 100 6000 900 900 58. ábra: A Visual Environmentben alkalmazott melegítési és hűtési idők az SS 2506 acél esetében A 59.ábra és a 60.ábra a három hőkezelés azonos paramétereit mutatja (hőntartási idők és karbonpotenciál). 59. ábra: Az SS 2506 acélminőségen alkalmazott hőkezelés [7] 77

Karbon potenciál A karbonpotenciál változása 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1,1 0,8 0 5 10 15 20 Az eltelt idő (h) 60. ábra: A cementálás során alkalmazott karbonpotenciál-eloszlása [7] 6.3.3. Szakirodalmi eredmények A hőkezelés elvégzése után azt tapasztalták, hogy a rétegvastagság nő, a maximális keménység viszont csökken és már az 50 mm átmérőjű darabnál is a felszín alatt kialakul egy keménységcsökkenés, amely a nagyobb méretű darabok esetén egyre erőteljesebb lesz. Ez annak az oka, hogy ebben a régióban, a martenzit mellett megjelenik a bénit is. A felületen mérhető maximális keménység 700 HV 5 fölött volt, ami az kisebb munkadarabnál először szinten maradt 1,5 mm mélységig, majd fokozatosan csökkeni kezdett. A 100-as átmérőjű próbadarab estében viszont a keménység a 0,2 és 1 mm-es mélység között lecsökkent 500 HV 5 alá. 78

61. ábra: A keménység változása az átmérő függvényében az SS2506 anyagú próbatestek esetében 15 órán át cementálva Az 50 mm-es átmérőjű test esetén a C tartalom változását a 62. ábra mutatja. 62. ábra: A C tartalom változása az 50mm-es, SS 2506 anyagú próbatestben, 15 órán át cementálva 6.3.4. VEM eredmények A szimulációhoz szükséges modelleket a 6.1 fejezetben leírtak alapján készítettem el. A háló elemek méretét, úgy állítottam be, hogy a legnagyobb átmérő esetén se lépje át a 60000 darabos limitet, de elég sűrű legyen a legkisebb átmérő esetében is. Erre 79

azért törekedtem, hogy az eredmények minél pontosabbak és összevethetőbbek legyenek, remélve, hogy a valóságban is kapott eredményt fogja produkálni a szimuláció. A hőkezelési paramétereket a 6.3.2 fejezetben leírtak alapján állítottam be, természetesen megeresztést itt sem alkalmaztam, de az eredmények kiértékelésénél ezt figyelembe fogom venni. 63. ábra: Az SS2506 esetében alkalmazott háló (minden átmérőnél), legkisebb elemméret: 0,0875 mm*0,2 mm, legnagyobb elemméret: 1 mm*1 mm A szimuláció végeztével a karbontartalmat a 64. ábra mutatja. 80

64. ábra: A Visual Environment által számított eredmények, karbontartalom A görbe lefutásából is látszik, hogy az eredmény eltér a várttól, a cementálás körülményeihez viszonyítva kevés karbon található az anyagban. Ha a számolt és valós értékeket összehasonlítjuk, akkor az eltérés még szembetűnőbb (65. ábra). 81

Az irodalom által kapott eredmények A szimuláció során kapott eredmények A karbontartalom (%) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 A ferlülettől mért távolság (mm) 65. ábra: A karbonpotenciál eloszlása a munkadarabban, összehasonlítás Úgy néz ki, mintha a szimuláció során a munkadarab gyorsabban dekarbonizálódott volna az 5 órán át tartó 0,8-as karbon potenciálon való tartáson, mint az a valóságban történt. A jelenség feltárása érdekében különböző időpontokban is megnéztem a karbontartalmat. 66. ábra: A karbon eloszlása a modellben 10h 30min cementálás elteltével 82

Tíz és fél óra cementálás során mutatja az elvárt alakú görbét a modell. Ha figyelembe vesszük a melegítési időt is, akkor ebben az időpontban még csak 10 perc telt el az alacsonyabb karbonpotenciálra (0,8-as) váltásra. 3 órával később, már nem tapasztalható a felszín alatti néhány milliméterrel a C tartalomban, a végső állapothoz hasonló eredményt kapunk. 67. ábra: A karbon eloszlása a modellben 13h 30min cementálás elteltével A fentiek arra engednek következtetni, hogy a szoftver, nem kezeli megfelelően a C kidiffundálását az anyagból a gáz közeg felé, nagyon gyorsan létrejön a dekarbonizáció, és lecsökken a modell C tartalma a karbonpotenciál által meghatározott szintre. A keménység vizsgálatánál sem értem el a várt eredményt. A 25 mm-es átmérőjű munkadarab esetében az eredmény megfelelő, a görbe lefutása hasonló és a rétegvastagság is megegyezik. A maximális keménységben van eltérés egyedül. 83

68. ábra: 25 mm átmérőjű modellnél számolt keménység 69. ábra: 100 mm átmérőjű modellnél számolt keménység 84