Vasötvözetek hőkezelése Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések. Fábián Enikő Réka

Vasötvözetek hőkezelése Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések. Fábián Enikő Réka fabianr@eik.bme.hu

A hőkezelések csoportosítása Előírt szövetszerkezetet, így az előírt tulajdonságokat a darab, mely részén kívánjuk kialakítani teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések felületi hőkezelések

Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések A teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések célja a munkadarab megkívánt tulajdonságainak (leglágyabb állapot, egyenletes, finom szemcseszerkezet, keménység, szívósság stb.) kialakítása a teljes keresztmetszetben. A kezelések lehetnek: lágyító egyneműsítő keménységet fokozó szívósságot fokozó

Vasötvözetek hőkezelése

Hőközlés, hőátadás Hővezetés Hőáramlás (konvekció ) Hősugárzás α=α v +α k +α s α a hőátadási együttható α v a hővezetési hőátadási együttható α k a hőáramlási hőátadási együttható α s a sugárzási hőátadási együttható A tárgy által felvett teljes hőmennnyiség Q összes = α(t f -T a )

Hőközlés, hőátadás Hővezetés során a hőcsere a szomszédos, nyugalomban lévő részecskék között megy végbe az átadódó hőmennyiséget a hőmérsékletgradiens és a hővezető képesség határozza meg. Az átadódó hőmennyiséget a hőmérséklet-gradiens és a hővezető képesség határozza meg.. Ötvözéssel a fémek hővezető képessége csökken. A szerkezeti állapot hatása: a hővezető képesség adott összetétel mellett annál inkább romlik minél torzultabb a fém rácsszerkezete. Hőmérséklet növekedésével a hővezető képesség romlik. Hővezető képesség, hőmérséklet T, C

Hővezetés

Hőközlés, hőátadás A hőáramlás (konvekció) hőátadási együtthatója a test és a környezet közötti hőmérséklet különbségtől, a hőt leadó vagy felvevő test méretétől, alakjától, felületének minőségétől, a hőt szállító részecskék tulajdonságaitól és mozgásától függ λ a folyadék hővezető képessége, [W/(m 2 C)] F k D- a test jellemző mérete, [m] D F - arányossági tényező Szabad áramlás esetén az átadott hőmennyiség viszonylag kicsi, pl. kamrás kemencében α k =17 30 W/(m 2 C), sófürdőben, ha a test hossza legalább másfélszerese az átmérőjének α k 1100 W/(m 2 C) (Szombatfalvi Árpád: Hőkezelés Technológiája )

Hőáramlás A hőáramlás α K hőátadási együtthatója kamrás kemencében melegített lemezekhez (W/m 2 C)

Hőközlés, hőátadás A felület minősége α k, W/(m 2 C) A levegő áramlási sebessége v 5 m/s v 5 m/s Sima 5,6+4v 7,12v 0,78 Hengerelt 5,8+4v 7,14v 0,78 Érdes 6,2+42v 7,52v 0,78 A hőáramlás hőátadási együtthatója kamrás kemencében melegített lemezeknél A közeg α k, W/(m 2 C) Kemence 15 Nyugvó levegő 30 Áramló levegő 40 Fúvott levegő 70 Vízpermet 520 Edzőolaj 580 Ólomfürdő 1200 Víz 3500 A hőáramlás hőátadási együttható különböző közegekben való hűtéskor

Hőközlés, hőátadás A hősugárzás, olyan hőátadás, amelynek során valamely test energiája úgy növekszik, hogy egy másik test kisugárzott energiáját elnyeli. A folyamat energiahordozó közeg nélkül megy végbe - a hő így vákuumban is terjed-. A sugárzási hőátadási együttható 4 Tsugárzó s Tsugárzó T sugárzó -sugárzó test felületének abszolút hőmérséklete T elnyelő -az elnyelő test felületének abszolút hőmérséklete σ - sugárzási együttható Sugárzással átadott hőmennyiség: Q (T 4 sugárzó T T T 4 elnyelő elnyelő 4 e ln yelő )

Hősugárzás Acél T [ C]

Hősugárzás A test felület/ térfogat arányának hatása a lehűlés sebeségére, azonos hűlési körülmények között 1-vékony lemez, 2- végtelen hosszú négyzet keresztmetszetű rúd, 3-végtelen hosszú henger, 4-kocka, 5- rövid henger, 6-golyó, tömör

Felhevítési idő meghatározása

Felhevítési idő meghatározása Sugárzás Ötvözetlen acélok felhevítési ideje a) 850 C-ra b)600 C-ra Sugárzással és hőáramlással Sókemencében

elhevítési idő meghatározása Kamrás kemencében elhelyezett rudak felhevítésének relatív időtartalma

Felhevítési idő meghatározása

elhevítési idő meghatározása Normalizáláshoz és edzéshez

Felhevítési idő meghatározása Feszültségcsökkentő izzitás, öregítés, megeresztés

Védőgázban történő hőkezelés

Vákuum alatt történő hőkezelés Munkadarab felhevítése csak hősugárzással, általában max. 1200 C-ig. A hőkezelendő anyagokat vákuum alatt hevítjük fel az edzési hőmérsékletre, általában több lépcsőben, anyagminőségtől függően. Nagy előny ha lehetőség van a darabok gáz segítségével (pl. nitrogén) való lehűtésére a hőntartási ciklus végén. Ilyenkor a fémet hidegen tesszük a kemencébe és a végén lehűtve vesszük ki, és az egész folyamat vákuum alatt, illetve nitrogén gáz túlnyomása alatt történik, így gyakorlatilag a darabok fényes, fémtiszta felülettel edződnek.

Vákuum alatt történő hőkezelés Előnyök: - revementes felület hőkezelés után - magasabb készültségi fokon, kisebb ráhagyással végezhető a hőkezelés - Mindig reprodukálható hőkezelési technológia - Pontosan szabályozható hőkezelési folyamat - Ha gázhűtés kisebb maradó feszültségek

Szénacélok hőkezelési hőmérséklete Acél T [ C] Hősugárzás

Az eutektoid A1 hőmérséklete, C Ötvözőelemek hatása Ötvöző tartalom, tömeg %

Hőmérséklet számítás Hipoeutektoidos acéloknál Ac ( C) (723-20,1 Mn -16,9Ni 29,1Si -16,9Cr) 1 11,5 AC 3 ( C) (910-203 C -15,2Ni 44,7Si 104V 31,5Mo) 16,7 ASM Handbook, Vol 4

Az eutektoid C tartalma, tömeg % Ötvözőelemek hatása Ötvöző tartalom, tömeg %

Alapvető hőkezelési eljárások Hőfeszültségek keletkeznek nagyobb keresztmetszetű anyagdarabok hevülésekor vagy hűlésekor, az eltérő sebességgel melegedő vagy hűlő felület és mag (belső részek) között. Ez az akadályozott hőtágulás okozta hőfeszültség hozzáadódik az igénybevételi feszültségekhez, ami túlterheléshez, gyors károsodáshoz vezet(het). Feszültségcsökkentés A meleg- és képlékeny alakítás, valamint az öntés után az anyagban mindig maradnak vissza belső feszültségek, melyek igyekeznek a tárgy alakját megváltoztatni. Ezek a feszültségek tovább fokozódnak, ha a lehűlés egyenetlen. Feszültségek keletkeznek hidegalakításkor, de egyes hőkezelési eljárásoknál is.

Feszültségcsökkentés Ha feszültségekkel teli alkatrészt forgácsolunk, további megmunkálásoknak vetünk alá, de akár külső beavatkozás nélkül is, a tárgy elvetemedhet, sőt el is repedhet. Ezeket a belső feszültségeket megfelelő hőkezelési eljárással csökkenteni lehet, ezt feszültségcsökkentő hőkezelésnek nevezzük. A feszültségcsökkentést érdemes minden nagyobb alakváltozással járó művelet után elvégezni. Kényesebb alkatrészeknél feszültségváltozást okozó műveletek után, akár többször is el kell végezni.

Alapvető hőkezelési eljárások Lágyítás A lágyítás célja, hogy a termék, vagy félkésztermék keménységét csökkentse, így megkönnyítve a megmunkálást. A lágyítás hidegalakítás után, illetve a közepesen és erősen ötvözött acéloknál a szövetszerkezet egyenletesebbé tétele miatt szükséges.

Lágyítás

Lágyítás harangkemencében

Hőmérséklet megoszlás a harangkemencében (Szentes Tibor: Hőmérséklet-egyenletesség ellenőrzése gáztüzelésű harangkemencéknél, Anyagok Világa, 2002 http://www.kfki.hu/~anyag/tartalom/2002/dec/szentes.htm )

Lágyítás Hőmérséklet, C Ausztenit Ausztenit+ cementit Ausztenit + ferrit Lágyítás Ferrit Ferrit+ perlit Cementit+ perlit C tartalom, tömeg %

Lágyítás Hőmérséklet, C Ausztenit Ausztenit+ cementit Ausztenit + ferrit Teljes lágyítás (kilágyítás) Ferrit Ferrit+ perlit Cementit+ perlit C tartalom, tömeg %

Szferoidizálás Hőmérséklet, C Ausztenit Ausztenit+ cementit Ausztenit + ferrit szferoidizálás Ferrit Ferrit+ perlit Cementit+ perlit C tartalom, tömeg %

Szferoidizálás Fe=98,6-99% C=0,37-0,40% Mn=0,60-0,90% P 0,04% S 0,05% 700 C-on 21h martenzitből kiindulva ferrit perlites szövetből kiindulva

Hőmértséklet, C Normalizálás C tartalom, %

Hőmérséklet Hőkezelési ciklus Felfűtés Hűtés Normalizálás Lágyítás F+A A c3 A c1 M S P+A idő

Alapvető hőkezelési eljárások Edzés Acélok edzhetőségét az edzéssel elérhető legnagyobb keménység minősíti. Edzés: ausztenitesítés, majd olyan sebességgel végzett hűtés, hogy az ausztenit többé-kevésbé teljes egészében martenzitté, esetleg bénitté alakuljon át A képződő martenzit akkor eredményez jelentős keménységnövekedést (HRC 45), ha a C 0,25%, ami egyben az edzhetőség kritériumának is tekinthető az ausztenitesítés (T > A 3 ) és a gyors hűtés ( v hűlés v krit. ) mellett.

Az edződés gyakorlati feltétele

Keménység, HRC C tartalom, martenzit arány és a keménység C tartalom, tömeg %

Martenzit rácsmérete és a C tartalom

Ötvöző tartalom és kritikus lehűtési sebesség

Ötvözőelemek hatása (Máthé K: Hőkezelők zsebkönyve) Ötvözőelemek hatása az C=0,76~1% tartalmú acélok M S pontjának helyzetére

Ötvözőelemek hatása Az acéloknál az M s hőmérséklet független a lehűlés sebességétől. Az acél összetételétől függően viszont jelentsen változik: M s = 520-360C%-33Mn%-22Cr%-17Ni%-11(Mo%+W%+Si%)+6Co%+17Al% Gyengén ötvözött acélokra Hollomon-Jaffe szerint: M s = 550-350C%-40Mn%-35V%-20Cr%-17Ni%-10Cu%-10Mo%- 8W% + 15Co% +30Al% A martenzites átalakulás befejezésének hőmérséklete pedig közelítőleg Mf = Ms (215-170)

Átedzhetőség Az átedzhetőség azt fejezi ki, hogy az edzéssel elérhető keménység milyen mértékben függ a lehűlési sebességtől, adott karbontartalom mellett, a vízzel érintkező felületétől a belseje (magja) felé mért távolságtól.

Edzhetőség vizsgálata Jominy próbával

Keménység eloszlás

Ötvözők hatása az átedzhető átmérőre Mn

Az átedzhető átmérő számítása Grossmann formula (ideális átedzhető átmérő 50% martenzit tartalomnál): D id 8 C 1,08 8 n m 1 f Me Me i i i 1 n- ausztenit szemcsenagyság mérőszám; C- karbon tartalom Me i ötvöző fém mennyisége f Mei - az i-dik fém állandója (f Mn = 4,1; f Cu = 0,27 ; f Ni = 0,52; f Cr = 2,33; f Mo = 3,14; f P = 2,83; f Si = 0,64; f S = -0,62; f V = 1,73; f Ti = 5,7)

A C tartalom és ausztenitszemcsenagyság hatása az átedzhető átmérőre D id 8 C 1,08 8 n m 1 f Me Me i i i 1

Lehűtés módja A lehűtés módját, közegét (pl. víz, olaj, levegő) ill. intenzitását (sebességét) az acél ötvözöttségétől függő átedzhetőség mértékének, valamint a vetemedés és a repedés veszélyének figyelembe vételével kell megválasztani.

T [K] Nemesítés A 3 A 1 Olaj, víz T 1 T 2 t [min]

Nemesítés A nemesítés edzési műveletének célja a minél teljesebb martenzites átalakulás, mert az edzést követő megeresztés szívósságnövelő hatása csak a beedződéssel arányosan érvényesül. Minél nagyobb az edzett acél magkeménysége, annál nagyobb a folyáshatár viszonyszám-nemesítés eredménye

Megszakított edzés

Lépcsős edzés

Megeresztés Ötvözetlen nemesíthető acél 1. szakasz: martenzitben C C üres rácshely Ha C>0,3%, ε karbid(fe 2,4 C)-hexag. Tetragonális martenzit köbös martenzit

Megeresztés 2. szakasz: martenzit, maradék A C torzultság, belsőnyomás 3. szakasz: C 0,1 Martenzit közel egyensúlyi ferrit ε karbid(fe 2,4 C)- elbomlik cementit válik ki 4. szakasz: korong alakú karbidok szferoidizálodás

KCU, J/cm 3 Megeresztés HRC 300 C elridegedés: C, N egyensúlyi fölött oldatban kiválás- T auszt, t 500 C elridegedés:mn, Cr-Mn, Cr- Ni ausztenit szemcsehatáron dúsul

Nemesítés

Nemesítés Közvetlen edzésű automata acélok

Acélok megeresztésállósága A megeresztésállóság a hőmérsékletváltozás (növekedés) következtében szövetszerkezeti átalakulás és/vagy összetételmódosulás miatti kopásállóság-változásmértékét (melegkopásállóságot) jellemzi. Az ún. megeresztési görbében a keménység (rendszerint HV vagy HRC) változása fejezi ki a kopásállóság változását. Egyes nemesíthető (szerszám-) acélokban a megeresztés hatására létrejövő kiváló szekunder karbidok egy jellegzetes keménység-maximumot eredményeznek az 500 600 C-os hőmérséklet-tartományban, ami lehetővé teszi ilyen maximális hőmérsékleten való tartós alkalmazásukat.

Ötvözőelemek hatása

Ötvözőelemek hatása r

Szerszámacélok hőkezelése Szerszámacélok megeresztési görbéi az ausztenitesítés hőmérsékletének függvényében

Szerszámacélok hőkezelése Hidegalakító szerszámacélok hőkezelése

Szerszámacélok hőkezelése Melegalakító szerszámacélok hőkezelése

Melegalakító szerszámacélok hőkezelése

Szerszámacélok hőkezelése

Szerszámacélok hőkezelése H6-5-2 gyorsacél X210Cr12 C81 Szerszámacélok megeresztési görbéi az ausztenitesítés hőmérsékletének függvényében

Gyorsacélok hőkezelése Az ausztenitesítési hőmérséklet hatása

Gyorsacélok szövetszerkezete H6-5-4 lágyított (melegen hengerelt) H 6-5-4 olajban edzett

Gyorsacélok hőkezelése z ausztenitesítési hőmérséklet hatása T auszt =1204 C H6-5-4 megeresztve 2x 552 C T auszt =1218 C

Gyorsacélok szövetszerkezete Martenzit Karbid Eutektikum Megeresztett martenzit Karbid Öntött tárcsa (d=75 mm, h=125 mm) Öntött tárcsa (d=75 mm, h=125 mm) auszenítesítés 1191 C (köztes hőntartás 899 C-on), sófürdőben hűtve 593 C-ig, levegő hűtés után 3x megeresztve 552 C-on

Gyorsacélok szövetszerkezete 100x Melegen hengerelt Tauszt=1260 c +1xmegeresztés 552 c Tauszt=1260 c + 2x megeresztés 552 c

Szerszámacélok megeresztése

Oldó hőkezelés A szegregációsan nemesíthető ötvözetek: egyes Al-ötvözetek, maragingacélok, Ni- ill. Co-bázisú keményvagy szuperötvözetek, bizonyos hő-ill. korrózióálló acélok nemesedésének feltételeit megteremtő oldó hőkezelés olyan "edzés", ami a nagy hőmérsékletű homogenizálást követő gyors hűtéssel túltelített - (hőmérséklet-csökkenéssel egyensúlyi körülmények között együttjáró korlátolt oldódásban gátolt) szilárd oldatos és egyben lágy állapotba hozza az ötvözetet.

Ausztenites korrózióálló acélok hőkezelése Oldó hőkezelést követő gyorshűtéses "befagyasztás" alkalmazható az ausztenites korrózióálló acélok homogenitását megbontó, így korróziós érzékenységét növelő króm-karbid kiválások ill. rendezett rácsú ún. szigma-fázis kiválások megszüntetésére is.

Martemperálás Hagyományos eljárás Martemperálás Módosított martemperálás

Ausztemperálás C=0,78-0,88%, Mn=0,60-0,90; P max =0,04 S max =0,05

Kiválásos keményedés A kiválásos keményítés korlátozott szilárd oldatot képező ötvözetek esetében alkalmazzák. A vegyületfázis egyensúlyi lehűtés esetén a krisztallithatáron, kedvezőtlen alakot felvéve válik ki. Kedvező a finom, egyenletesen elosztott kiválás. Ezt úgy érjük el, hogy a hőkezelés során első lépésben oldatba visszük az ötvözőt, majd gyors hűtéssel megakadályozzuk a kiválást. A túltelített szilárdoldatból a vegyület az öregbítés során nagyon finom formában válik ki.