ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Anyagismeret Anyagválaszt lasztás s I. (gyakorlati előkész szítő) Dr. Palotás s BélaB / dr. Németh Árpád palotasb@eik.bme.hu / arpinem@eik.bme.hu Anyagválasztás A gépészmérnöki feladatok legfontosabb, legnehezebb, legszebb része A ma mérnöke számára: 40-80 ezer anyagféleség áll rendelkezésére (fémek, kerámiák, üveganyagok polimerek, elasztomerek, és a belőlük készült kompozitok) Általában nem csak egy jó megoldás van! Általában a mérnökök helyesen választanak anyagot, (káresetek legfeljebb 5 % - át okozza rossz anyagválasztás) Anyagválasztás I. Anyagismeret 2
Anyag-, technológia-, konstrukció (költség) egysége Konstrukció (igénybevétel) KÖLTSÉG Anyag Technológia Anyagválasztás I. Anyagismeret 3 Elsődlegesek a műszaki követelmények szilárdság szívósság újrahasznosítás hőállóság korrózióállóság ár szerkezeti anyag vizsgálhatóság javíthatóság különleges fizikai tulajdonságok feldolgozhatóság, megmunkálhatóság hozzáférhetőség alakíthatóság Anyagválasztás I. Anyagismeret 4
a tiszta anyagköltség Gazdasági tényezők a nyers alkatrész előállítási költsége (előgyártmánygyártás pl. öntés, hengerlés, képlékeny alakítás, hegesztés stb.) a környezeti költségek a szerszám költségek a forgácsoló megmunkálások költsége a tulajdonságjavító műveletek (hőkezelés, felületi keményítések stb.) az esetleges felület - kikészítési műveletek (korrózióvédelem, dekoráció) költségei. Anyagválasztás I. Anyagismeret 5 Anyagcsoportok tulajdonságai 1. Jellemző Fém Kerámia Polimer Sűrűség (g/cm3) 2-16 (átlagosan 8) 2-17 (átlagosan 5) 1-2 Olvadáspont ( C) alacsonytól magasig Sn 232, W 3400 magas 4000 C-ig alacsony Keménység közepes magas alacsony Forgácsolhatóság jó rossz jó Szakítószilárdság (MPa) 2500-ig 400-ig 120-ig Nyomószilárdság (MPa) 2500-ig 5000-ig 350-ig Rug. modulus (GPa) 40-400 150-450 0.001-3.5 Kúszási ellenállás rossz kiváló - Hőtágulás közepes és nagy kicsitől közepesig nagyon nagy Anyagválasztás I. Anyagismeret 6
Anyagcsoportok tulajdonságai 2. Jellemző Fém Kerámia Polimer Hővezetés közepes közepes, de gyakran gyorsan csökken a hőmérséklettel nagyon kicsi Hőlökéssel szembeni ellenállás jó általában rossz - Elektromos ellenállás vezető szigetelő (de fél- és szupravezetők is) szigetelő Kémiai ellenállás gyenge-közepes kiváló általában jó Oxidációval szembeni ellenállás magas hőmérsékleten gyenge, anyagtól függ az oxidoké kiváló SiC és Si3N4 jó Anyagválasztás I. Anyagismeret 7 Mechanikai tulajdonságok Folyáshatár és szakítószilárdság - rugalmassági modulus Alakváltozó képesség Törési szívósság Kúszási határ Kifáradási határ Keménység - kopásállóság Anyagválasztás I. Anyagismeret 8
Fizikai tulajdonságok: Sűrűség Olvadáspont További tulajdonságok Elektromos vezetőképesség Mágneses tulajdonságok Hővezető képesség Hőtágulás Hőállóság Megmunkálhatósági jellemzők: önthetőség forgácsolhatóság (automata acélok ) alakíthatóság (karosszériaanyagok ) kérgesíthetőség: Felületi edzés (indukciós, láng, elektronsugár, lézer) Betétedzés Nitridálhatóság Anyagválasztás I. Anyagismeret 9 Acélok szilárdsági tulajdonságainak méretfüggése R P0,2 Ötvözött acélok Ötvözetlen acélok átmérő Anyagválasztás I. Anyagismeret 10
Kérgesítő eljárások (szívós mag, kemény kéreg, ) 60 55 HR C kéreg CVD, PVD bevonatok TiN, TiC stb Pl. fogaskerék, siklócsapágyazott tengelyek Nagyfrekvenciás felületi edzés Boridálás Betétedzés Nitridálás 1 mm Kéregmélység Anyagválasztás I. Anyagismeret 11 Adatbázisok, segítségek Tapasztalatok Szakértői rendszerek (EQUIST) Tankönyvek, jegyzetek Szabványok Termékkatalógusok Kézikönyvek Anyagismeret előadás, Oktatók Anyagválasztás I. Anyagismeret 12
Ököl - szabályok (kivételek mindig vannak) Szerszámot (kemény, kopásálló) szerszámanyagból, Szerkezetet (szívósság-szilárdság), szerkezeti anyagból készítünk. Ha egy anyagot technológiai jelzővel választunk ki, azt úgy is használjuk nemesíthető - nemesítve, betétben edzhető betétedzéssel, nitridálható- nitridálva, automata acél forgácsolásra, melegalakító szerszámacél - pl. süllyesztékes kovácsolásra, kisajtolásra stb. A beállított tulajdonságokat magasabb hőmérsékletű kezelésekkel nem szabad lerontani Anyagválasztás I. Anyagismeret 13 Az acélok tulajdonságait kémiai összetételük és a hőkezelési állapotuk határozza meg T Lágyítás A 3 Edzés Normalizálás Anyagválasztás I. Anyagismeret 14 t
Hőkezeléssel biztosítható szövetszerkezetek Egyensúlyi szövetek Ferrit Perlit Cementit Egyensúlyitól eltérő szövetek Bénit Martenzit Szferoidit Anyagválasztás I. Anyagismeret 15 Hőmérséklet o C M v A A M k Hőkezelés hatása C 45 - jelű acél (C = 0,45 %) M edzés V kritikus felső, alsó F B P F+P+M+ A F+P lágyítás A ausztenit F ferrit, P perlit, B bénit, M martenzit O HV keménység % az átalakulás mértéke Normalizálás Anyagválasztás I. Anyagismeret 16
Nemesítés hatása T A 3 Ausztenitesítés Nemesítés = Edzés + Megeresztés R m A 1 Edzés Megeresztés 500 550 C KV t Mechanikai tulajdonságok széles körben változtathatók a megeresztési hőmérséklet függvényében t A 1 T, C Anyagválasztás I. Anyagismeret 17 Egyensúlyi szövetszerkezetek 1. Ferrit C=0,02 % N 200 Ferrit + perlit C = 0,18 % N 200 Anyagválasztás Perlit N I. 2000 Ausztenit 1050 C-ról vízben hűtve N 375 Anyagismeret 18
Egyensúlyi szövetszerkezetek 2. Perlit + szekunder cementit N 300 Perlit + lemezes grafitos öntöttvas N = 400 Ledeburitos öntöttvas N = 400 Ledeburit + primér cemetit N 300 Anyagválasztás I. Anyagismeret 19 C15 hőkezelésénél kapott szövetek Anyagválasztás I. Anyagismeret 20
C30 hőkezelésénél kapott szövetek Anyagválasztás I. Anyagismeret 21 Megeresztés során kapott szövetszerkezetek C30 Anyagválasztás I. Anyagismeret 22
Szerszámacélok szövetszerkezete Anyagválasztás I. Anyagismeret 23 Nem egyensúlyi szövetek Ferrit - bénit Martenzit N 600 Anyagválasztás Martenzit I. + bénit N 625 Anyagismeret Szferoidit N 600 24
Acélok felhasználás szerinti csoportosítása Szerkezeti acélok Általános rendeltetésű acélok Kis C tartalmú acélok Betétben edzhető acélok Hegeszthető acélok Hidegen alakítható acélok Melegszilárd acélok Hidegszívós acélok Automata acélok Nemesíthető acélok Nemesíthető szerkezeti acélok Nitridálható acélok Rugó acélok Gördülőcsapágy acélok Anyagválasztás I. Anyagismeret 25 Szerszámacélok Ötvözetlen szerszámacélok Hidegalakító szerszámacélok Melegalakító szerszámacélok Forgácsoló szerszám acélok Gyorsacélok Keményfémek Bevonatos keményfém lapok Anyagválasztás I. Anyagismeret 26
Anyagválasztási példák Anyagválasztás I. Anyagismeret 27 Alkatrészpéldák 1. Vezér (bütykös)tengely Anyagválasztás I. Anyagismeret 28
Fő követelmények: Felületi kopásállóság!!! (legalább 60HR C ) Nagy felületi (Hertz) feszültség (Ismétlődő, dinamikus terhelés kevésbé) Méret: Ø 32 mm 1 mm vastag kéreg Vezértengely (bütyköstengely) Martenzites felület C min = 0,8% Felületi edzéssel Betétedzéssel (kéregben 1% C cementálva + kettős edzés) Felületi sugárkezelések, felületötvözés: lézer, elektronsugár Felületi olvasztással (cementites öntöttvas), ív, lézer stb. Szerelt (könnyű csőtengely, porkohászati (gyorsacél)) bütykökkel Anyagválasztás I. Anyagismeret 29 Forgattyús (fő) tengely (Ø 55 mm) Alkatrészpéldák 2. Anyagválasztás I. Anyagismeret 30
Alkatrészpéldák 3. Szgk. hajtórúd Anyagválasztás I. Anyagismeret 31 Alkalmazási példák 4. Betétben edzhető szerkezeti acélok Nagy szívósság Kisebb szilárdság a nemesíthető acélokhoz képest Sok esetben alkalmazható nemesíthető- és betétben edzhető acél is ugyanarra a feladatra Anyagválasztás I. Anyagismeret 32
Betétben edzhető acélok: Méret és szilárdság összefüggése Anyagválasztás I. Anyagismeret 33 Alkalmazási példa 5. Nitridálható acélok Magas hőmérsékleten is kopásálló Martenzit 500 ºC felett megeresztődik Méretpontos alkatrészek készíthetők A 1 hőmérséklet felett méretváltozás jön létre az allotrop átalakulásnak köszönhetően Anyagválasztás I. Anyagismeret 34
Szerszámacélok Alakító szerszámok 1. Kivágó szerszám Anyagválasztás I. Anyagismeret 35 Hidegen alakított alkatrészek Anyagválasztás I. Anyagismeret 36
Szerszámacélok Alakító szerszámok 2. Folyató szerszám Anyagválasztás I. Anyagismeret 37 Melegen alakított alkatrészek Anyagválasztás I. Anyagismeret 38
Szerszámacélok Forgácsoló szerszámok ÚJMARÓ PROFIL MARÓ Esztergakés Szalagfűrész Anyagválasztás I. Anyagismeret 39 Gyakorlati feladatok Többen kapnak egy feladatcsoportot A feladatcsoport 4 feladatból áll, kettő szerkezeti alkatrész, 2 szerszám A munkadarabokat megneveztük és a méreteit, az igénybevételét meghatároztuk - ezt célszerű saját tapasztalat, irodalom stb. alapján kibővíteni Cél a jelenlegi gépészmérnöki gyakorlatban alkalmazott és oktatott anyagok és technológiák alkotó alkalmazása Anyagválasztás I. Anyagismeret 40
Anyagválasztási jegyzőkönyvet kell készíteni Az anyagválasztási jegyzőkönyv tartalmazza: A kiinduló előgyártmány állapotát, méreteit Az alakadó technológiát és annak technológiai paramétereit (forgácsolás nem!!!) A gyártás főbb lépéseit Az elvárt tulajdonságot biztosító hőkezelési technológiát és paramétereit Anyagválasztás I. Anyagismeret 41 Hőkezelési ciklus diagram A 3 T Felületi edzés Módja A 1 160 250 ºC T edzés, t edzés Hűtőközeg Edzés Megeresztés T megeresztés, t megeresztés Hűtőközeg t Kis hőmérsékletű megeresztés Anyagválasztás I. Anyagismeret 42