Teräkset Kon kurssi Tekn. tri Kari Blomster LÄMPÖKÄSITTELY KARKAISUT Karkaisu ja päästö

Transkriptio

1 1 Teräkset Kon kurssi Tekn. tri Kari Blomster LÄMPÖKÄSITTELY KARKAISUT Karkaisu ja päästö Teräs kuumennetaan austeniittialueelleen (A), josta se jäähdytetään nopeasti (sammutetaan) nesteeseen, veteen, öljyyn, suolakylpyyn, painetyppeen tai ilmaan martensiittimuutosta varten ja päästetään lopuksi halutun ominaisuusyhdistelmän aikaansaamiseksi. Austeniittifaasi kykenee liuottamaan huomattavan määrän hiiltä (~1,7 p- % C) korkeassa lämpötilassa, mutta karkaisussa ei ole tarkoitus aina suinkaan liuottaa kaikkea teräksen hiilestä, vaan osa voidaan jättää sitoutuneeksi karbideiksi myös alieutektoidisia teräksiä karkaistaessa. Austeniitista martensiittimuutos tapahtuu pintakeskisten alkeiskoppien leikkautumisella kohti tilakeskistä (ferriittistä) hilarakennetta, mutta välisijassa olevan hiiliatomin jäädessä puristuksiin alkeiskopin rakenne muistuttaa enemmän tetragonista kiderakennetta, jossa kuutioalkeiskoppi on venynyt yhdeltä akseliltaan. Karkaisu tarkoittaa teräksissä yleensä martensiittikarkaisua. Puristuksiin jäävät hiiliatomit aiheuttavat martensiittiin huomattavia jäännösjännityksiä ja mittamuutoksia, koska myös tilavuus kasvaa martensiitin muodostuessa, austeniittiin verrattuna noin 4 %. Korkea, eutektoidisen pisteen ylittävä, yli 0,8-1 p - % hiilipitoisuus on martensiitissa niin korkea pitoisuus, että martensiittiin syntyy pian sammutuksen jälkeen mikrohalkeamia, jotka voivat johtaa tuotteessa karkaisuhalkeamiin. Karkaisuhalkeamien riski korostuu varsinkin, jos päästöä ei ole välittömästi tehty tai kappale jäähtyy liian kylmäksi sammutuksen jälkeen ennen päästöä. Koska martensiitti on tietyssä teräksessä kovin sen metallisista faaseista, jää kovuus epätäydellisessä muutoksessa huippuarvoa matalammaksi. Jo pieni osuus jäännösausteniittia tai ferriittiä näkyy kovuusarvojen putoamisena.

2 2 Sammutuksen aikana tapahtuu nopean jäähdytyksen ansiosta jäähtyminen tasapainottomana austeniittina martensiittialueen alkulämpötilaan Ms asti, jonka alittaminen merkitsee martensiittireaktion alkamista, kuva 1. Kuva 1. Jatkuvan jäähtymisen S-käyrän perusrakenne alieutektoidisessa hiiliteräksessä sekä jäähtymistä kuvaavat katkoviivat Q1, Q2, Q3, ja Q4. Sammutusaineen jäähdytysvaikutusta testataan mittaamalla sen standardi-jäähdytyskäyrä sylinteritestikappaleella ø12,5*l60 mm, jossa on termoelementti upotettuna keskelle sylinteriä.

3 3 Sylinteri on valmistettu austeniittisesta tulenkestävästä teräksestä Inconel 600, jossa ei mittausalueella tapahdu faasimuutosta. Testi ja laitteisto (IVF) on standardisoitu niin, että sammutusolosuhteet tunnetaan (sammutusaineen sekoitus ja lämpötila) ja tulokset voidaan halutessa luotettavasti toistaa. Sammutusaineet jaetaan kahteen pääryhmään: kiehumattomiin ja kiehuviin sammutusaineisiin. Kiehumattomista luetellaan esim. suolakylvyt, typpi, ilma, kiehuvista vesi, öljyt. Karkaisun onnistuminen riippuu seuraavista suunnittelutekijöistä: 1. Teräksen karkenevuus (analyysi) ja liuotusaste (austenoituminen) austeniittialueella sekä austenoinnin tuloksena muodostunut perinnäisen austeniitin raekoko. 2. Riittävästi koneistettu tuotteen lähtöpinta ja pinnan suojaus hapettumiselta ja hiilenkadolta. Nurkkapyöristykset ovat jännityskeskittymien vähentämisen vuoksi välttämättömät. 3. Sammutusaineen onnistunut valinta ja mittamuutosten ennakointi riittävin työvaroin. 4. Välilämpötilan täsmällinen hallinta (ei liian kylmäksi; ei liian kuumana) 5. Päästön suoritus ja päästölämpötilan valinta Martensiittia on kahta eri tyyppiä: matalahiilinen sälemartensiitti ja korkeahiilinen levymartensiitti; näiden yhdistelmä hiilipitoisuusalueella 0,4-0,8 p - % on erittäin tavallinen karkaistuissa teräksissä, kuva 2.

4 4 Kuva 2. Austeniitin hiilipitoisuudesta riippuu sammutuksessa muodostuvan martensiitin tyyppi ja Ms- ja Mf- lämpötilat seostamattomassa hiiliteräksessä. Martensiitin ominaisuuksista mainittakoon, että se on kova ja luja faasi, ja että se on tasapainoton faasi, joka on huoneenlämpötilassa pysyvä. Martensiitin syntyyn ei tarvita hiilen tai rauta-atomin diffuusiota, vaan leikkautumalla tapahtuva syntyminen toimii hyvin matalassakin lämpötilassa. Martensiitin kovuus riippuu ainoastaan sen hiilipitoisuudesta. Kuva 3. Kuva 3. Pelkän martensiitin ja sekarakenteiden kovuudet hiilipitoisuuden muuttuessa. Vastaavasti martensiitin ja karkaistun teräksen sitkeys riippuu myös ratkaisevasti teräksen hiilipitoisuudesta; mitä alhaisempi hiilipitoisuus sitä parempi on karkaistun teräksen sitkeys. Karkaistaessa teräksen alkuperäiset mitat muuttuvat; karkaisua varten jätetään työvaraa sellaisiin, mittatarkkoihin kohtiin, joiden uskotaan karkaisussa muuttuvan ennakoidusti ja työvarat on jätettävä aina siten, että valmiin kappaleen mitat voidaan jälkityöstössä saavuttaa. Karkaistun teräsosan mitat palautetaan piirustuksen mukaisiksi jälkityöstöllä esim. kovasorvaus tai hionta, joka poistaa työvarallisten kappaleiden ylimääräiseksi jääneen aineen lopullisiin mittoihin nähden, kuva 4. Akselimaisia kappaleita joudutaan usein myös oikaisemaan puristimessa.

5 5 Kuva 4. Esimerkkejä sylinterirenkaiden karkaisun aikana tapahtuneista mittamuutoksista. Teräs AISI O1 ja SR 1855 ovat molemmat mittapitäviä, niukkaseosteisia työkaluteräksiä. Nämä teräkset ovat yleisiä teräksiä työvälineiden valmistuksessa, jotka karkaistaan öljyyn. Martensiitin sitkeysominaisuuksia parannetaan päästöllä, jonka jälkeen myös pysyvän rakenteen käyttölämpötila-aluekin laajenee lähes päästölämpötilaan asti. Päästössä karkaistu kappale kuumennetaan päästölämpötilaan ja pidetään siinä tavallisesti 1 tunnin ajan. Päästössä metastabiili martensiitti alkaa hajota kohti tasapainopiirroksen stabiilia ferriitti+sementiitti-rakennetta. Ferriittiin ei tunnetusti liukene hiiltä välisijoihin,

6 6 joten hiili erkautuu sementiittinä pistemäisinä tai levymäisinä karbideina yleensä aluksi perinnäisen austeniitin raerajoille. Koska päästössä tapahtuu hiilen diffuusiota pois alkeiskopin välisijasta, on tämä muutos mahdollinen vasta kun hiilen diffuusio alkaa eli noin 150 C:ssa. Kullakin teräksellä on sille parhaiten sopivat päästölämpötila-alueensa, joita käyttäen vältetään päästömartensiittisen teräksen haurausalueet. Tavallisia ovat päästölämpötilat C, C tai C, kuva 5, joista valitaan sovellukseen sopivin alue ja sen tuloksena sopivin ominaisuusyhdistelmä. Kuva 5. Karkaistujen booriterästen B 13S, B 24 ja B 27 mekaanisten ominaisuuksien yhdistelmät päästölämpötilasta riippuen; Ruukki kulutusteräkset. Nuorrutus Nuorrutusteräksien karkaisu ja päästö on nimeltään nuorrutus. Nuorrutus-teräkset muodostavat selkeän teräsryhmän, jossa nuorruttaminen etenee tietyn saman kaavan mukaan. Nuorrutusteräksien hiilipitoisuudet ovat yleensä alueella 0,25-0,7 % C ja ne ovat niukkaseosteisia teräksiä, seosaineina Mn, Cr, Ni, Mo ovat tavallisia.

7 7 Nuorrutusteräkset ovat koneenrakennuksessa tärkeä teräsryhmä etenkin dynaamisesti kuormitettuja koneenosia varten. Nuorrutusteräkset ovat yleensä vaikeasti hitsattavia niiden hyvän karkenevuuden ja korkeahkon hiilipitoisuuden takia. Erilaiset akselit, hammaspyörät, kampiakselit, vivut, telat jne. valmistetaan usein nuorrutusteräksistä lähtien valssatusta tai taotusta aihiosta. Nuorrutusteräkset ostetaan terästehtaalta tai takomosta useimmiten valmiiksi nuorrutettuina tiettyyn kovuuteen; yleensä jopa HB: n alueella teräkset ovat vielä hyvin lastuttavia. Nuorrutuksen voi tehdä myös uudelleen, mutta yleissääntönä voi pitää, että nuorrutusterästä ei pidä käyttää valssaus-tai takotilassa, vaan ainakin kerran teräs tulee nuorruttaa ennen käyttöä, jotta siihen saadaan nuorrutetun teräksen mikrorakenne ja hyvät mekaaniset ominaisuudet. Nuorrutuksessa tehdään karkaisukuumennus, sammutus veteen, vesi-polymeeriin tai öljyyn ja nuorrutuspäästö lämpötilassa C haluttujen lujuusominaisuuksien mukaan. Apuna nuorrutuksen suunnittelussa käytetään teräksen valmistajan nuorrutuspiirroksia, joista halutun myötörajan, murtorajan, venymän, kurouman tai iskusitkeysarvojen perusteella valitaan päästölämpötila. Päästöaika on yleensä 1-2 tuntia päästölämpötilassa. Jos tällöin joudutaan valitsemaan päästölämpötila alle 550 C:n, on se yleensä merkki liian heikosti karkenevasta nuorrutusteräksestä ko. tarkoitukseen. Alle 550 C:n ei kannata tehdä nuorrutuspäästöä, koska se saattaa johtaa nuorrutusteräksen iskusitkeysarvojen voimakkaaseen huonontumiseen päästöhaurausilmiön tähden. Korjauksena edelliseen on vaihdettava karkaisussa tavanomainen, hitaanpuoleinen öljysammutus, ja on turvauduttava vesisammutukseen, vesi-polymeerisammutukseen tai yhdistettyyn ensin vesi + sitten öljysammutukseen, jotta lujuusarvot saadaan paremmiksi ja päästölämpötila korkeammaksi ja nuorrutusteräkselle sopivaksi. Esim. 42CrMo4 nuorrutus: nuorrutuspiirros kuvat 6 ja 7. Usein valitaan tämä niukkaseosteinen nuorrutusteräs liian suuriin ainevahvuuksiin, jolloin on vaikea päästä kauttaaltaan päästömartensiittiseen mikrorakenteeseen ja korkeisiin lujuus- ja kovuusarvoihin. Joudutaan tyytymään bainiittiseen plus martensiittiseen tai jopa bainiittis-ferriittiseen mikrorakenteeseen sammutuksen jälkeen. Valinnan määrää tavallisesti saatavuus- ja hintakysymykset sekä käyttökohteen matalalahkot lujuusvaatimukset.

8 Kuva 6. Yleisesti käytetyn nuorrutusteräksen 42CrMo4 lujuustason riippuvuus ainevahvuudesta ja yleiset lämpökäsittelyohjeet. Ovako Steel. 8

9 9 Kuva 7. Öljyyn karkaistun teräksen 42CrMo4 nuorrutuspiirros. Saavutettavat mekaaniset ominaisuusyhdistelmät riippuvat paitsi valitusta päästölämpötilasta myös ainevahvuudesta. Kun tarkastellaan nuorrutusteräksien eri mikrorakenteiden ominaisuuksia vertaamalla saman myötörajan iskusitkeysarvoja eri mikrorakenteissa, voidaan todeta hienorakeisen päästömartensiitin ylivoima nuorrutusteräksen muihin mikrorakenteisiin verrattuna. Myötörajan ollessa nuorrutettuna 700 N/mm 2 hienorakeisen päästömartensiitin FATT muutoslämpötila on noin -100 C, kun vastaavan hienorakeisen bainiitin FATT muutoslämpötila on +20 C. Ferriittis-perliittisrakenteesta ei saada edes hienorakeisena tälläista myötörajaa, vaan on tyydyttävä noin 550 N/mm 2, jolloin muutoslämpötila on jo +100 C. Kuva 8.

10 10 Kuva 8. Mikrorakenteen ja raekoon vaikutus nuorrutusteräksen transitiolämpötilaan lujuustasosta riippuen. Buderus Edelstahl. Vaativiin kohteisiin on nuorrutusteräksien karkenevuus valittava ainevahvuuteen nähden riittävän hyväksi, jotta ainakin 1/3 säteen syvyyteen saadaan sammutuksessa täysin martensiittinen rakenne ja keskiviivalle vähintään 50% martensiittinen rakenne (loput bainiittia). Jousien valmistuksessa, esim. 50CrV4-teräksessä vaatimukset ovat vielä tiukemmat, martensiittia tulee olla rakenteesta yli 95 % (loput bainiittia). Jousien päästölämpötilat valitaan alueelta C. Pienikin pitoisuus ferriittiä ~5 % romauttaa jousien väsymislujuuden. Bainitointi Bainitoinnilla tarkoitetaan bainiittista mikrorakennetta tavoittelevaa karkaisutapaa, jossa sammutus poikkeaa tavallisesta karkaisusta. Menetelmä on englanniksi austempering ja sen keskeisenä elementtinä on sammutus suolakylpyyn ja austeniitin täydellinen hajaantuminen isotermisesti kylvyssä pidon aikana bainiitiksi. Suolakylvyn tilalla käytetään pienien osien sammutuksessa joskus myös leijupatjauunia. Bainitoinnin jälkeen ei tarvitse tehdä päästöä, jos valittu pitoaika kylvyssä on riittävän pitkä, ettei kylvystä poiston jälkeen jäähtymisessä muodostu martensiittia. Toisaalta jäännösausteniitti on usein bainitoinnin aikana niin vahvasti stabiloitunut, ettei se enää jäähdytyksessä edes karkene martensiitiksi. Bainiittista mikrorakennetta pidetään sitkeämpänä kuin samankovuista nuorrutettua, päästömartensiittista mikrorakennetta. Väite saattaa olla virheellinen, mutta toki on myönnettävä, että suolakylvyllä on kiehumattomana sammutusaineena paremmat sammutusominaisuudet (alussa nopeampi) kuin öljyillä, joita käytetään juuri martensiittikarkaisussa sammutusaineena. Kuitenkin juuri äsken nähtiin, kuvasta 8, että nuorrutusteräksen transitiolämpötila on hienorakeisessa päästömartensiitissa alhaisempi kuin hienorakeisessa alabainiitissa

11 11 samassa lujuustasossa. Voihan olla, että tilanne muuttuu, kun teräksen hiilipitoisuus nousee yli 0,6 % C:n esim. martensiitin tyyppimuutoksen ja sen seurauksena lisääntyvien mikrohalkeamien vuoksi. Bainitointia sovelletaan teräksissä juuri melko korkeille (esim. teräs C60) hiilipitoisuuksille. Erityisen sovellusalueensa bainitointi menetelmä on saanut ADI-valujen (seostettu GRP) lämpökäsittelystä auto- ja koneteollisuuden tarpeisiin. ADI käsittelyssä syntyy kokonaan uusi ausferriittinen rakennetyyppi valun matriisiin, aciculaarisen ferriitin ja austeniitin yhdistelmä=ausferriitti, jolla on erinomaisia vaikutuksia valujen lujuusominaisuuksiin. Sammutuskylvyn lämpötilan valinnalla ohjataan syntyvän ausferriitin lujuustason muuttumista laatuluokasta toiseen. Menetelmässä vältetään bainiitin syntyminen ja sen sijaan pyritään jättämään % matriisista austeniitiksi ferriitin rinnalle hienojakoisena lamellirakenteena, joka stabiloituessaan jää huoneenlämpötilassa pysyväksi ausferriitiksi. Terminen karkaisu Termiseen karkaisuun ei liity mitään faasitransformaatioita, mutta liittyy lämpötilaeroista johtuvaa lämpölaajenemista; jännityksen ylittäessä paikallisesti teräksen myötörajan syntyy pysyvä jäännösjännitystila. Termisen karkaisun aikana tapahtuu kuumennuksessa tai jäähdytyksessä kappaleen eri osien lämpötilaeroista ja myötämisestä johtuva jäännösjännityskentän rakentuminen kappaleeseen. Jos kappale on pyörähdyssymmetrinen ja jäähdytys niin ikään symmetrinen (kpl esim. pyöritetään sammutettaessa tai jäähdyttävän aineksen virtaus on tarkasti akselin suuntainen), on seurauksena pyörähdysakselin suhteen symmetrinen jännityskenttä. Rakenneteräksen pintaan (esim. sylinteri) saadaan puristusjännitys kuumentamalla se lievään punahehkuun vaikka 650 C:n, josta sitten sammutetaan kylmään veteen. Jännitys on sitä suurempi, mitä suurempi on sylinterin halkaisija, kuva 9. Vastaavasti voidaan esim. nuorrutuspäästön jälkeen sammuttaa akseli veteen 650 C:sta, jolloin paitsi saadaan puristusjännitys pintaan, niin ohitetaan myös päästöhaurausalue 500 C:ssa. Eräissä lämpökäsittelyissä sovelletaan termistä karkaisua muun lämpökäsittelyn yhteydessä, esim. kylpynitrauksessa ja induktiokarkaisussa.

12 12 Tangentiaalinen jäännösjännitys Jännitys MPa ø=1000 mm ø=800 mm ø=600 mm ø=400 mm ø=200 mm Jäähtymisnopeus 400 C ( C/h) päästön jälkeen Kuva 9. Termisen karkaisun aiheuttaman jäännösjännityksen riippuvuus halkaisijasta ja jäähdytysnopeudesta suoraan nuorrutuspäästön jälkeen 400 C:een. Buderus Edelstahl. Vaikutukset 300 C:een alapuolella jäävät vähäisiksi teräksen kohonneen myötörajan vuoksi. Kuva 10. Putkiakselin ø1000/910 mm sammutuslaskentaesimerkki. Sammutusaine 50 C AQ350, teräs 34CrNiMo6. Sammutuslaskenta_0_11.pdf