Acélok hőkezelése Az acél alapvetően Fe-C ötvözet, melynek tulajdonságainak javítására további anyagokkal ötvözhetnek. (Az ötvözetlen acélok maximális karbontartalma 2,1 %, de néhány erősen ötvözött szerszámacél esetén ezt meghaladja). Hipoeutektoidos acél Eutektoidos acél Hipereutektoidos acél Az acélok ma is a gépészeti anyagok legfontosabb csoportját képezik. A világ acéltermelése az elmúlt évben elérte az 1,4 milliárd tonnát, ez azt jelenti, minden személyre 200 kg-nyi acéltermelés jut. Ezt a nagymértékű felhasználást lehetővé válik, mert: Alapanyaga, a vas a földkéregben van bőven (sorrend: O, N, Si, Al, Fe), az ásványokban kellően dúsan fordul elő (ma Fe > 60% ércek feldolgozása a gazdaságos). 1 ábra A Fe-C egyensúlyi állapotábra acélokra vonatkozó bal alsó sarka Gazdaságosan előállítható, nagyüzemi előállítása jó hatásfokú, újrafeldolgozhatósága igen jó. Különböző eljárásokkal (alakítás, ötvözés, hőkezelés és ezek kombinációi) széles tartományban befolyásolhatók a tulajdonságai (mechanikai, korróziós stb.). Gépeink igényesebb alkatrészei hőkezelt állapotban kerülnek beépítésre. A hőkezelés hatására az acélok tulajdonságai széles határok között változtathatóak, így szívóssági és szilárdsági értékeik (általában sajnos csak egymás rovására) a felhasználás követelményeinek megfelelően beállíthatóak. A hőkezelés szó nagyon sok eljárás gyűjtőneve, mellyel fémek és ötvözetek szövetszerkezetét igényeinknek megfelelően hőmérséklet hatására változtatni tudjuk, a kezelt tárgy alakjának és kémiai összetételének megváltoztatása nélkül. A hőkezelés egy tervszerűen megválasztott hőmérsékletváltoztatási folyamat, mely felhevítésből, hőntartásból és lehűtésből áll, és célja a munkadarab szövetszerkezetének illetve feszültségállapotának tudatos megváltoztatása, az előírt tulajdonságok (szilárdság, szívósság, kopásállóság, megmunkálhatóság stb.) elérése céljából. Minden fém hőkezelhető, az acélok (C=0 2,1%) különösen alkalmasak arra, hogy tulajdonságaikat hőkezeléssel befolyásoljuk, mert: Allotróp átalakulás (ugrásszerű karbon-oldóképességváltozás) van f.k.k. γ C=0,8% α (Cmax=0,02%) t.k.k. térrács Korlátolt oldás van (ES, Q vonal mentén) Az acélokat az általunk tárgyalt leggyakoribb hőkezelési műveletek előtt ausztenitesítjük. Az ausztenit az acélokban valóságos körülmények között izotermikus hevítéssel vagy folyamatos hevítéssel szokták létrehozni. 1
Az acélok szövetszerkezete Az acélok szövetszerkezete lehet közelítőleg egyensúlyi (ahol a szövetelemeket alkotó fázisok koncentrációjának kiegyenlítődéséhez szükséges diffúzióhoz elegendő idő áll rendelkezésre) és az egyensúlytól lényegesen eltérő (nem egyensúlyi). Az acélok egyensúlyi szövetszerkezete elméletileg végtelen lassú hűtési sebességgel hűtve, vagy melegítve a diffúziós folyamatok végbemenetelét segítő hosszú idő alatt keletkezik. Ideálisan lassú lehűtéskor az acélok egyensúlyi szövetelemeinek összetételei az Fe-C állapotábra szövetelemei összetételének felelnek meg. A 2. ábra a hipoeutektoidos (C<0,8%),) az eutektoidos (C=0,8%) és a hipereutektoidos acél egyensúlyi körülmények közti átalakulását szemlélteti. Megállapítható, hogy a 0,8% széntartalmú ausztenit (eutektoidos összetételű) acél az S pontban a perlites vonalon (az A1 hőmérsékleten) alakul át perlites szövetszerkezetté. Ezt az átalakulást a hipoeutektoidos acélnál a GOS vonal alatt ferrit, a hipereutektoidos acélnál szekunder cementit Acélok hőkezelésének alapjai kiválása az ES vonal mentén előzi meg. A perlit egy kétfázisú, rétegesen ferritből és cementitből álló szövetszerkezet. egyensúlyi és nem egyensúlyi átalakulások A T=A3 γc%<0,8 c é l o k γ c%>0,8 α h ő k e z e l é é n e k a l a p j a i Izotermikus T=Ac3 átalakulások eutektoidos acélokban, hipo- és hipereutektoidos acélokban C görbék Sec. cementit T=A1 s γc%=0,8 perlit (α+cem.) Átalakulások F α+perlit perlit +terc. cementit (α+cem.) Fe3C terc F folyamatos lehűlésnél p+sec.cem. T=Tszoba F a) F b) Fe3C sec c) C=0,02 C=0,1 % C=0,25% C=0,40% C=0,8% C=1,2% 2. ábra Az acélok egyensúlyi körülmények között való lehűlésekor lejátszódó folyamatok a) A szövetszerkezeti elemek megjelenése hőmérséklet és karbontartalom függvényében b)a perlit kialakulásának sematikus szemléltetése (Tisza Miklós nyomán) c) Különböző karbontartalmú acélok egyensúlyi körülmények közt kialakult szövetszerkezete F- ferrit ( fázis), - perlit ( +Fe3C), Fe3C - cementit A perlites átalakulás az ausztenit krisztallit határain képződő cementit csirákkal veszi kezdetét. A C atomok az ausztenitből a cementit csira felé vándorolnak, így a csira környezete karbonban elszegényedik, és átalakul ferritté. A keletkező szövetelem a lemezes szerkezetű perlit. A jelenség az ausztenit krisztallit határon körben bekövetkezik A további növekedés a csirák befelé növekedésével történik. A befelé növekvő, összeérő perlitcsomók a jellegzetes poligonális kristályhatárokat mutató, lemezes szerkezetű perlitet eredményezik. 2
Az acélok nem egyensúlyi szövetszerkezetei A valóságban a lehűlési sebesség nem "végtelen lassú", hanem nagyobb. A lehűlés sebességének vagy a túlhűtés mértékének nagyságától függően változik a közel egyensúlyi állapotú ausztenit átalakulásának módja. Az ausztenit A1 hőmérséklet és kb. 550 C között perlitesen alakul át. Az átalakulási hőmérséklet csökkenésével a C atomok diffúziója is lelassul, a C atomok kisebb út megtételére képesek, ezért egyrészt a perlitben elhelyezkedő cementit-lemezecskék vastagsága csökken, másrészt a ferritben maradó C atomkoncentráció növekszik. Az ilyen finomlemezes perlit elnevezése: finom perlit. Hasonló képpen a lehűlés sebességének növelésekor csökken keletkező perlit szövetszerkezetében a ferrit és a cementit részecskék mérete is. Hőmérséklet A A 1=A 3=727 C perlit finom perlit A B bénit 20 μm c) Ms log (idő) a) 20 μm d) b) 10 μm e) 3. ábra: A lehűlés hatása az ausztenit átalakulására a) ötvözetlen, eutektoidos (C=0,8%) acél izotermikus átalakulási diagramja b) hipoeutektoidos acél folyamatos lehűlési diagramja c) durvalemezes perlit d) finomlemezes perlit e) bénit A vékonyabb lemezes perlit szilárdsága és keménysége nagyobb lesz, mert a ferritben (túltelített szilárdoldat formájában) az ötvöző-tartalom növekedése okoz szilárdságnövekedést, míg a cementit lemezek vékonyabb és sűrűbb megjelenése az alakváltozás-képes ferrittartományok szűkítésével növeli a szilárdságot. Megfelelő gyors hűtés esetén, a perlites átalakuláson kívül bénites és martenzites átalakulás is létrejöhet. Minél gyorsabb a lehűlés (minél kevesebb a diffúziós folyamat rendelkezésére álló idő), annál közelebb van az összetétel az allotróp átalakulás után is az ausztenit összetételéhez. 3
Bénites átalakulás Ha az ausztenitet 550 C és kb. 250 C közé hűtjük, az átalakulás már más mechanizmussal megy végbe. Izotemikus átalakulással a perlites átalakulásnál nagyobb mérték túlhűtésnél már korlátozott a diffúzió sebessége, a átalakulás van "kedvezőbb helyzetben", a ferrit növekedése gyorsabb a karbon diffúziójánál, az ausztenit kristályhatáron tehát megjelennek a tű alakú ferrit csírák. A ferrittűk belsejében a túltelített ferritben a C atomok kismértékű diffúziója révén apró cementit szigetek (korongocskák) válnak ki. A ferritnövekedési sebessége lényegesen nagyobb, mint a diffúzió biztosította cementit képződés, ezért a cementit korongokat "benövi" a ferrit, és kialakul, a ferrit alapba ágyazott cementit korongocskákból álló szövetszerkezet, a bénit. A bénites szövetszerkezetű acélok szilárdsági tulajdonságai (elsősorban a ferritben túltelített szilárdoldat formában jelen lévő C atomok szilárdságnövelő hatása miatt) nagyobbak, mint a perlité. A bénites acélok szívóssági tulajdonságai (kontrakciója, nyúlása) sem kisebbek, mint a perlité, mert a cementit lemezek által okozott alakváltozás-korlátozás már nincs jelen. Bénites átalakulás Nagy túlhűtés, részleges diffúziós mozgás Bénit: jó szilárdsági és nagy kristályosodási sebesség szívóssági tulajdonságok: cementit ferrit 4. ábra: Bénit kialakulása az ausztenitből (Tisza Miklós nyomán) A bénites átalakulás jellemzői diffúziós átalakulás csiraképződéssel jár, a kezdő csira a ferrit bomlási folyamat +Fe3C megfordítható, reverzibilis folyamat izotermikus és folyamatos hűtéssel is létre hozható, de 100%-ban csak izotermikusan A bénites jó alakváltozó képességű és szilárdságú szövetszerkezetet rugóknál, dróthúzásnál stb. használják ki, de más területeken is terjed (USA izotermikus edzés elnevezéssel). Csak bénitből álló szövetszerkezetet csak izotermikus hőkezeléssel lehet létrehozni. 4
Martenzites átalakulás Ha az ausztenitet nagyon gyorsan kb. 250 C -ra le tudjuk hűteni úgy, hogy diffúziós átalakulás ne jöhessen létre (a hűtési sebesség az acélfajtára jellemző kritikus sebességnél nagyobb), az átalakulás egy új mechanizmussal, martenzitesen megy végbe. Ilyenkor csak a rácsátalakulás következik be, azaz az ausztenit átalakulása a térrács szerkezetének megváltozásával gyakorlatilag diffúzió nélkül megy végbe. Fontos megjegyezni, hogy. - kritikus alsó hűtési sebesség, az amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már keletkezik martenzit. - kritikus felső hűtési sebesség, az, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már csak martenzit keletkezik. A martenzites átalakuláskor az ausztenit lapközepes térrácsa térben közepessé alakul, miközben a szén nem tud kiválni, így tetragonálissá torzítja az. A martenzites átalakulást egyszerű módon magyarázza a Bain-modell, lásd az alábbi ábra (ma már valósághűbb modellekkel tudunk dolgozni (habitus síkok)). Martenzites átalakulás Felhevítés T > A 3 ausztenites Lehűtés V > V kritikus Diffúzió Kristálycsíra nélküli átalakulás Kis elmozdulások Hangsebességű átalakulás T= M S -ΔT Kis elmozdulások 5. ábra: A martenzites átalakulás Bain-modellje h h h h h Martenzit M S <T > M S Tűs, léces mikroszerkezet late martenzit T= M v +ΔT 6 ábra: A martenzit különböző megjelenési formái 5
Ausztenitesedési diagramok Az acéldarabok hőkezelése során a programozott felmelegítés gyakran az ausztenites zónába történik, ahol hőntartás, majd lehűtés következik. Az ausztenitesedés folyamatát az ausztenitesedési diagramok mutatják. Az izotermikus viszonyok közötti ausztenitesítéshez a felhevítésnek olyan gyorsnak kell lenni, hogy annak időszükséglete az ausztenitesedés szempontjából elhanyagolható legyen Így konstans hőmérsékleten izotermán értékelhető az ausztenitesedés folyamata, azaz az ausztenitesedés kezdetéhez és befejeződéséhez szükséges időtartam. Az izotermikus diagramok használhatósága korlátozott, mivel a gyakorlatban a nagyobb darabok esetén nehéz, vagy nem is lehet az izotermikus hevítés feltételeit megvalósítani. A folyamatos hevítésre felvett T-lg diagramban egy felhevítési sebesség vonalat kiválasztva az ausztenitesedés kezdetét az Ac1, befejeződését az Ac3 görbével való metszéspont fejezi ki. Az Ac1és az Ac3 a) függvénygörbék asszimptotái az A1 és A3 egyensúlyi átalakulási hőmérsékletek, melyek elvben a végtelen lassú hevítéshez tartoznak. Az ausztenitté alakulás Ac3 hőmérsékleten ugyan befejeződik, de ekkor az ausztenit még inhomogén, vagyis az előzőleg perlites helyeken több, míg a korábban ferrites helyeken kevesebb karbont tartalmaz. Az ausztenit homogenitása így később, a diagramban szintén jelölt vonal felett tekinthető megfelelőnek, ahol viszont megindul a szemcsedurvulás is. Ezért az ausztenitesítés hőmérsékletét és időtartamát úgy kell megválasztani, hogy elfogadható b) homogenitású, de még finomszemcsés ausztenit jöjjön létre az ebből az állapotból induló hőkezelés(ek)hez. A folyamatos hevítés 7. ábra Hipoeutektoidos acél ausztenitesitésekor lejátszódó folyamatok sebessége az átalakulást a magasabb a) izotermikus hevítésekor hőmérséklet és a kisebb idő irányába tolja el. Az ausztenitesítési diagramokról leolvasható, b) folyamatos hevítésekor hogy adott hevítési viszonyok mellett mennyi idő múlva kezdődik az átalakulás, és mennyi idő múlva ér véget. A folyamatos hevítésre érvényes diagramokat szabályozható hevítési sebességgel hevített darabok dilatométeres görbéi alapján veszik fel. A tágulás mérése alkalmas az ausztenitesedés vizsgálatára, ugyanis az átalakulás a fajtérfogat csökkenésével jár. Mérésekkel igen sok acél ausztenitesítési diagramját meghatározták és azok különböző hőkezelési atlaszokban, szakkönyvekben megtalálhatók. 6
A hevítéssel keletkezett ausztenit tulajdonságai A hevítéskor keletkezett ausztenit tulajdonságai az összetételétől az összetételének egyenletességétől és nem utolsó sorban a szemcsenagyságtól függnek. A szemcsenagyság szerepe elsősorban a lehűlés közben bekövetkező átalakulásoknál jelentős, hiszen a szemcsehatár a legreakcióképesebb. A hevítéssel keletkező ausztenit legfontosabb tulajdonsága az, hogy szemcsenagysága nem állandó, hanem mindaddig, amíg az acél ausztenites állapotban van a szemcsenagysága állandóan nő, és hűtéskor a lehűlési sebességtől függetlenül megtartja a hevítésnél kialakult szemcseszerkezetet. Ezt a viselkedést irreverzibilis szemcsedurvulásnak nevezzük. A hevítéskor kialakuló ausztenit szemcsenagysága három tényezőtől függ. Ezek - hőmérséklet - hőntartási idő - az ausztenit összetétele Az izzítás hőmérsékletének növelésével az ausztenit szemnagysága erősen nő. Lehűtés Az ausztenitesítést követő hűtés (hőkezelés) menetét diffúziós és diffúziómentes átalakulásokra az ausztenitátalakulási diagramok szemléltetik. Ausztenit- átalakulási diagramok Az átalakulási folyamatot két ellentétes hatás befolyásolja: a ΔT túlhűtéssel az átalakulási kényszer nő, viszont az így elért alacsony(abb) hőmérsékleten a diffúzió sebessége csökken. E két hatás együttesen eredményezi, hogy az acélok ausztenitje átalakulásainak T hőmérséklettől függő t időszükségletét T lgt koordináta-rendszerben C- alakú görbék jellemzik 8. ábra. A γ- átalakulás időszükséglete (C görbe) A C-görbék fontos segédletei a leggyakrabban alkalmazott hőkezelési technológiáknak. A nem egyensúlyi átalakulások nemcsak az átalakulási hőmérsékleteket, hanem a hevítéskor és a hűtéskor keletkező szövetelemek mennyiségi és minőségi viszonyait is megváltoztatják A nem egyensúlyi átalakulásokat izotermikus (közel állandó hőmérsékleten), illetve folyamatos lehűlésnél vizsgálhatjuk. A nem egyensúlyi átalakulási görbék az ausztenit átalakulásának kezdetét és végét valamint a belőle kialakuló szövetszerkezeteket mutatják. 7
Az izotermikus ausztenit- átalakulási diagramok konstans hőmérsékleten (izotermán) diffúziós átalakulásokra mutatja az átalakulások kezdetéhez és befejeződéséhez szükséges időtartamokat, továbbá a kialakuló szövetszerkezet összetevőit, keménységét Sec. Idő F ferrit perlit K karbid A ausztenit B bénit M martenzit S perlites átalakulás kezdete f perlites átalakulás vége BS bénites átalakulás kezdete Bf bénites átalakulás vége MS martenzites átalakulás kezdete Mf martenzites átalakulás vége O keménység, HRC 9. ábra. Különböző acélok izotermás C görbéi a)ötvözetlen hipoeutektoidos acél (C=0,44%, Mn=0,66%, Si=0,22%,, =0,022%, S=0,029%) Tausztenitesités =880 C b) Közel eutektoidos, gyengén ötvözött acél (C=0,43%, Mn=0,04%, Si=0,14%, Cr=3,52%,, =0,015%, S=0,012%) Tausztenitesités =1050 C c) ötvözetlen hipereutektoidos acél (C=1,03%, Mn=0,22%, Si=0,17%,, =0,014%, S=0,012%) Tausztenitesités =860 C Az izotermikus átalakulás csak kisméretű próbatesteken, az ausztenit gyors hűtésével (pl. só vagy fémfürdőben), majd hőntartással valósítható meg. A gyakorlatban az izotermikus átalakulást patentírozás műveleténél használják ki, ahol többnyire bénites szövetszerkezet létrehozása a cél. A gyakorlatban a lehűtés ritkán izotermikus, leggyakrabban folyamatos, ezért szükséges meghatározni, a folyamatos lehűlésre érvényes átalakulási diagramokat is. 8
lehűlések felvett A folyamatos hűtésre vonatkozó ausztenit-átalakulási diagramok, mint T Folyamatos - lgt koordináta-rendszerben Hűtőközegek diagramok egy bizonyos hűtőközeg által meghatározott hűtési sebesség-vonal (lehűlési görbe)hűtőhatásai mentén mutatják az átalakulások kezdő és véghőmérsékletét, a hozzájuk tartozó V=f(d) időtartamokat, valamint a várható szövetelemeket ill. A3 keménységértékeket is. A folyamatos lehűlési görbe kezelése Kemence hasonló az izotermikushoz, természetesen, míg izotermikusnál az ausztenit átalakulásának kezdetét és végét az izotermákon, úgy a folyamatos átalakulásnál a lehűlési Olaj Meleg olaj Levegő göbéken adjuk meg. Az egyes átalakulások végét jelző Víz v vonalaknál az átalakult szövetelemek %-os mennyisége, a log(idő)) hűlésgörbék végén a keletkezett végszövet keménysége van 10 ábra: Hűtőközegek hatásai folyamatos feltüntetve. lehűlések során A folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramokon (T - lg t diagramok), az austenitesítés hőmérsékletét, valamint a kritikus átalakulási hőmérsékleteket (Ac1, Ac3, Acem) mindig fel kell tüntetni. Az átalakulások mindig csak a különböző hűtési sebességekre vonatkozó hűtési görbék mentén elemezhetők. A diagramon nem szereplő hűlésgörbe berajzolható, figyelembe véve, hogy hűlésgörbék egymást nem keresztezhetik. A lehűlés során az egyensúlyi és a nem egyensúlyi fázisok, szövetelemek csak ausztenitből keletkezhetnek, a kialakult szövetszerkezet tovább már nem alakul. A keletkezett átalakulási, bomlási termék izotermás átalakulásnál csak az 11. ábra: Egy hipoeutektoidos acél elvi átalakulási hőmérséklet, míg folyamatos hűtésnél a hűtési folyamatos átalakulási diagramja sebesség függvénye (Dr. Reé András nyomán) F ű t l ő y k a ö m z a e g t o e s k l h e h ű ű t ő l h é s a e t k á s a i Hőmérséklet oc H o D A3 F A B M A - ausztenit F - ferrit, - perlit, B - bénit, M - martenzit O - keménység % -átalakulás mértéke Ausztenitesités 1050 C Hőmérséklet, C Hőmérséklet, C Ausztenitesités 860 C F B a) A - ausztenit F - ferrit, - perlit, B - bénit, M - martenzit O - keménység %-átalakulás mértéke M sec. sec. idő A perc idő óra perc b) 12. ábra: Különböző hőmérsékleteken ausztenitesített 36Cr6 minőségű hipoeutektoidos acél (C=0,36%, Mn=0,49%, Si=0,35%, Cr=1,54%,, =0,021%, S=0,020%) folyamatos lehűlési diagramjai a)t ausztenit=860 C b) T ausztenit=1050 C 9 d
Egy ausztenit- átalakulási diagram csak adott kémiai összetételre és kiinduló ausztenites állapotra (homogenitás, szemcseméret) vonatkozik). Különböző hőmérsékleteken végzett ausztenitesités után azonos hűtési feltételekkel végzett hőkezelés után a létrejövő szövetelemek mennyiségi aránya, ezáltal a darab keménysége különböző. Ausztenitesítés 860 C/3 min Ausztenitesítés 1050 C/3 min Ac1 Ac1 Ms A+K B A - ausztenit K- karbid, - perlit, B - bénit, M - martenzit O - keménység A K A - ausztenit K- karbid, - perlit, B - bénit, M - martenzit O - keménység M Ms M Sec. Idő Sec. Idő 13. ábra: 100Cr6 minőségű hipereutektoidos acél (C=1,04%, Cr=, Mn=0,33%, Si=0,26%, =0,023%, S=0,008% különböző ausztenitesítési hőmérsékletekről végzett folyamatos lehűlési diagramjaii a) T ausztenitesités =A1+50 C; b) T ausztenitesités =Acem+50 C Az átalakulások folyamatos hűtésnél kisebb hőmérsékleten hosszabb lappangási idő után játszódnak le, mint az izotermás átalakulásoknál. Az átalakulási görbék a folyamatos hűtés esetén az izotermikus átalakulási diagramokhoz viszonyítva lefelé és jobbra tolódnak el. 10
Hőkezelési eljárások A hőkezelési eljárások alaptípusai: a lágyítás, a feszültségcsökkentő hőkezelés, a normalizálás (lehűtés levegőn), az edzés, a megeresztés és a nemesítés valamint a patentírozás. Diffúziós lágyítás Szemcsedurvító lágyítás Normalizálás Gömbszemcsésítő lágyítás Karbidháló oldás Feszültségcsökkentés Megeresztés Hőmérséklet, C tömegszázalék, % C 14. ábra: A hőkezelési műveletek hőmérséklettartománya a vas-karbon ötvözetek egyensúlyi diagramjában Lágyítás Célja: a leglágyabb (egyensúlyi állapothoz közeli) állapot beállítása. A nagyobb ( 0,4%) C tartalmú acélok csak ebben az állapotban forgácsolhatók könnyen. Megvalósításának módja: az ausztenit mezőből (A3 + 20-50 C) való igen lassú kemencében történő hűtés. Erősen ötvözött anyagoknál az ötvözők oldatba vitele céljából (pl karbidképzőknél) alkalmazzák a magas hőmérsékletű, úgynevezett diffúziós lágyítást A lágyítás speciális módja a lemezes cementit gömbszerűvé alakítása (szferoidizálás), az ilyen anyagok hidegen kiválóan alakíthatók. A hasonló, gömbszemcsés cementitet képző lágyításnál a hevítési hőmérsékletek. Hipoeutektoidos acélnál S alatt Hipereutekoidos acélnál ingázás az SK vonal körül 11
Feszültségcsökkentő hőkezelés Célja: gyors hűlési folyamatok okozott belső feszültségek leépítése edzés, hegesztés vagy alakítás közbeni elhúzódásra vagy repedésre érzékeny darabok esetén. Megvalósításának módja: szobahőmérsékletről 550-670 C hőmérsékletre hevítés utáni 2-4 óra hőntartás, majd lassú lehűtés. Normalizálás Célja: a korábbi anyagelőéletből a szövetszerkezetre ható változtatások hatásának visszaállítása teljes vagy részleges átkristályosítással, illetve az előzőleg durvaszemcséssé acél szilárdsági tulajdonságainak javítása. Kis széntartalmú anyagoknál a lágyítotthoz viszonyítva jobb a normalizált anyag forgácsolhatósága is. Gyakran ebben az állapotban adják meg az anyag mechanikai tulajdonságait is. Megvalósításának módja: az ausztenitesítés hőmérsékletéről nyugodt levegő környezetben történő lehűtés. Hőntartási idő nagyobb, mint 30 perc. A normalizálás előtti hevítés hőmérsékletei Hipoeutektoidos acélok esetén 30...50 a 15. ábra: A normalizáló hőkezelés GS vonal felett. hőmérséklettartománya Hipereutektoidos célok esetén 30...50 az SK vonal felett, vagy (ritkán) a szemcsedurvulás miatt) 30...50 az SE vonal felett. Edzés Célja: martenzites vagy bénites szövetszerkezet létrehozása. Megvalósításának módja: teljes- vagy részleges ausztenitesítés után az ausztenitesítés hőmérsékletéről (A3 + 30-50 C) az acélra jellemző felső kritikus sebességnél nagyobb hűtési sebességgel hűtjük le az acélt. Az acél összetételétől függően a felső kritikus sebességet biztosító hűtőközeg különböző (víz, olaj vagy akár levegő) lehet.. A gyakorlatban a martenzit tulajdonságainak, valamint a kritikus lehűlési sebesség biztosítása miatt az edzhető ötvözetlen acélok karbontartalma nagyobb, mint 0,2 %. Ötvözetlen szénacélok estében csak a vízhűtés biztosítja a kritikus lehűtési sebességnél nagyobb hűtési sebességet. - Hipoeutektoidos acélok edzésénél a teljes austenitesítés hőmérséklete 30-50 -al a GS vonal felett van. Edzés után a martenzit mellett maradék ausztenit is keletkezik, ha a C-tartalom 0,5-0,8% között van. - Hipereutektoidos acélok edzésénél a részleges ausztenitesítés hőmérséklete 30-50 fokkal az SK vonal felett helyezkedik el. Az eredmény: 16. ábra: Az edzés előtti hevítés hőmérsékletei 12
finomszemcsés martenzit és kevesebb maradék ausztenit, mint az SE vonal feletti hevítésnél. Az edzés után a szerkezet martenzitet, vaskarbidot és maradék ausztenitet tartalmaz. Az acél gyakorlati edzhetőségi feltételei: karbontartalom nagyobb, mint 0,2 %. hevítés az ausztenites mezőbe a kritikusnál gyorsabb lehűtési sebesség A kialakuló keménység az acél karbontartalmától és a létrejött martenzit mennyiségétől függ 17. ábra: A keménységváltozása a karbontartalom és a martenzit arány függvényében Megeresztés Célja: az edzett, rideg martenzites szövetszerkezetet az igénybevételek számára megfelelőbbé tenni, szívósságát növelni. Megvalósításának módja: az edzést követően a célnak megfelelő hőmérsékletre hevítjük az anyagot, majd megfelelő ideig hőn tartjuk. (18. ábra) Az anyagjellemzők a hőmérséklet és a hőntartási idő függvényében változnak (19. ábra). Az alacsony hőmérsékleten (100-300 C) végrehajtott megeresztés során a martenzites állapottal járó ridegség csökkenthető (miközben a keménység nem vagy csak alig változik. A magas hőmérsékleten (500-680 C) végrehajtott megeresztés során a martenzit megbontásával, finom karbid-eloszlás és jelentős szívósság érhető el. A lejátszódó folyamatokat a 20. ábra szemlélteti. A kisebb hőmérsékleteknél és rövidebb időértékeknél a keménységcsökkenés kicsi, ugyanakkor a képlékenységilletve szívósságnövekedés mértéke is kicsi. A megeresztés hőmérsékletére a rideg (edzett állapotú) darabokat óvatosan kell felhevíteni, mert ezek a hőfeszültségekre nagyon érzékenyek. Adott idejű megeresztéseknél a megeresztési hőmérséklet növelésénél a keménység és a szilárdság változása kezdetben nem jelentős. A hőmérséklet jelentős növelésével a keménységcsökkenés (és a képlékenység-ill. szívósságnövekedés) mértéke jelentős lesz. 13
T, C A 3 Hőntartás ausztenitesedés Hűtés, edzés Repedésveszély A 1 Megeresztés mértéke (megkívánt tulajdonság függvényében.) Hűtés Felhevítés Repedés veszély 18. ábra: Edzés+ megeresztés folyamata Idő 19. ábra: C 35 acél szakítógörbéinek változása a megeresztési hőmérséklet függvényében 14
20. ábra: A megeresztési hatására létrejövő változások edzett eutektoidos acélban Nemesítés Az edzést és a magas hőmérsékletű megeresztést (550-650 C) nemesítésnek nevezzük. Célja: dinamikus igénybevételnek kitett gépalkatrészek (tengelyek, hajtóműalkatrészek) anyagát olyan ferrit-karbidos szövetszerkezetűvé tenni, hogy az anyag a nagy folyáshatár és a jelentős kifáradási határ ellenére is szívós maradjon. A nemesítés után nyert szövetszerkezet szferoidit vagy szemcsés perlit. Erősen ötvözött acélok esetén a magas hőmérsékletű megeresztés kiválásos keményedést hozhat létre. A karbontartalom hatása a keménys nységre és s a szívóss sságra Martenzit szívósság Martenzit (edzés) Normalizálás Lágyítás R m 21 ábra A karbontartalom hatása a keménységre és a szívósságra 15
Megeresztés s hatása HV t=állandó szívósság Martenzit Szemcsés perlit T megeresztés Szemcsés s perlit 22. ábra: A megeresztés hőmérsékletének hatása Martenzitből megeresztéssel 23. ábra: A szemcsés perlit szövetszerkezeti képei a) martenzitből megeresztéssel b) lemezes perlitből szferoidizálással Lemezes perlitből szferoidizálással Ellenőrző kérdések: Fogalmazza meg a hőkezelés fogalmát! Milyen szövetelem a durva perlit? Milyen szövetelem a finom perlit? Milyen szövetelem a bénit? Milyen szövetelem a martenzit? Milyen alaptípusai vannak a martenzitnek? Melyek az alapvető hőkezelési eljárások? Milyen hőkezelés a lágyítás? Milyen hőkezelés a feszültségcsökkentő hőkezelés? Milyen hőkezelés a normalizálás? Milyen hőkezelés az edzés? Mik az edzhetőség feltételei? Milyen hőkezelés a megeresztés? Milyen hőkezelés a nemesítés? Hogyan változik a keménység a megeresztési hőmérséklet függvényében Hogyan változik a szívósság a megeresztési idő függvényében? 16
A hőkezelés gyakorlat menete Hőmérséklet oc A gyakorlat célja: különféle acélfajták alaphőkezeléseinek megismerése, elvégzése és a hőkezelés hatásának vizsgálata (az acélok mechanikai tulajdonságainak elemzése a széntartalom függvényében) az acélok mechanikai tulajdonságainak szempontjából. A gyakorlaton C15, C45, és C100 minták vizsgálatával foglalkozunk. Ezen acélok folyamatos lehűlési diagramjait a 24.-27. ábrákon láthatjuk Idő, sec C 45-jelu acél (C=0,45 %) 24. ábra. C15-jelű acél (C=0,15 %) folyamatos átalakulási diagramja Homérséklet oc A F A F+ B Ms normalizálás M Mf edzés Vkritikus felso, alsó lágyítás A - ausztenit F - ferrit, - perlit, B - bénit, M- martenzit O HV keménység % az átalakulás mértéke F+ B+M 25. ábra. C45-jelű acél folyamatos átalakulási diagramja 17
Hőmérséklet o C idő 27. ábra: C100-jelű (hipereutektoidos acél, C=1 %) folyamatos átalakulási diagramja A darabok keménységmérési és hajlító vizsgálati eredményeinek a vázlata a 28-29. ábrákon látható. Mérési diagramok 1. (karbontartalom-keménység) HV HV edzett C100 normalizált lágyított C45 0,15 1 C% 400 o C 0,45 600 o C T megeresztés 28. ábra A karbontartalom és a megeresztési hőmérséklet hatása a keménységre 18
Szívósság φ hajlitás Mérési diagramok 2. (karbontartalom-szívósság) Szívósság φ hajlitás C100 edzett lágyított normalizált C45 0,15 1 C% 400 o C 0,45 600 o C T megeresztés 29 ábra: A karbontartalom és a megeresztési hőmérséklet hatása a szívósságra A beágyazott csiszolatok hátlapján látható a minták anyagminősége illetve az egyes mintadarabok hőkezeltségi állapotára vonatkozó adatok, amit a jegyzőkönyvbe, a vázlatok alá fel kell írni. A jegyzőkönyvhöz űrlap letölthető a tanszéki honlapról: www.att.bme.hu. 19