Martensiittiset ruostumattomat teräkset luentomateriaali Kemi-Tornion AMK

Transkriptio

1 Martensiittiset ruostumattomat teräkset luentomateriaali Kemi-Tornion AMK Timo Kauppi

2 muistiinpanoja 2

3 yleistä Puukkomateraalit kehittyvät. Ensin tulivat hiiliteräkset, sitten seostetut teräkset ja nyt kehityksen painopiste on ruostumattomien puukkoterästen kehittäminen. Asiakkaat haluavat uusia high-tech teriä ja niistä on maailmalla pulaa - materiaalia joutuu odottamaan. Kauneutta ja erikoisuutta haetaan ns. damaskiteräksistä. Uusia materiaaleja tulee jatkuvasti. Enää ei tarvitse tehdä kompromissia ruostumattomuuden ja terän kestävyyden välillä. Tämän asian korjasi esim. ATS-34, joka oli 'viimeisin sana' vuosituhannen vaihteessa, mutta saamme vielä ihmetellä sitäkin kestävämpää materiaalia. 3

4 muistiinpanoja 4

5 yleistä Kehityksen tavoite näyttää olevan ruostumattomat teräslaadut, jotka kykenevät säilyttämään yhtä aikaa sitkeyden, terävyyden ja ruostumattomuuden. Nämä ovat käyttökovuudeltaan HRC Lisäksi kehitetään terävyyden säilyttäviä, pehmeämpia laatuja: esim. HRC kovuisia. Uudet materiaalit kohottavat puukontekijöiden ammattitaitoa. Niihin voidaan soveltaa uusia 'uusia' menetelmiä (kuten jäädyttämistä) ja onnistumisen varmistaa huolellinen lämpökäsittely. Uusia ruostumattomia erikoismateriaaleja on useita. Niiden käsittelyn vaativuus vaihtelee. Esimerkiksi ATS- 34 on vaativuudeltaan keskiluokkaa uusien supermateriaalien joukossa. 5

6 muistiinpanoja 6

7 yleistä Puukkoteräkset voidaan luokitella neljään ryhmään: 1) hiiliteräkset 2) ruostumattomat teräkset 3) seostetut teräkset 4) damaskiteräkset Three knives from Mikov - Czech Republic 7

8 muistiinpanoja 8

9 hiiliteräkset perinteinen ja jokseenkin helppo raaka-aine puukon- ja veitsen teräksi suojattava käytön jälkeen esim. öljyllä ruostumisen (=korroosion) ehkäisemiseksi kovuus perustuu austeniitin muuttumiseen martensiitiksi γ γ + Fe 3 C α + Fe 3 C 9

10 muistiinpanoja 10

11 hiiliteräs Metallit ovat kiehtova materiaaliryhmä erityisesti siksi, että niiden ominaisuudet ovat muunneltavissa hyvin laajasti. Metalleja voidaan seostaa keskenään, mutta ennen kaikkea niiden ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa erilaisin lämpökäsittelyin. Ainutlaatuinen tässä suhteessa on teräs, raudan ja hiilen seos. Hiilipitoisuudella on erittäin suuri vaikutus teräksen tärkeisiin ominaisuuksiin, lujuuteen ja sitkeyteen. Hiiliatomien vuorovaikutus rauta-atomien kanssa vaihtelee eri lämpötiloissa ja antaa perustan terästen lämpökäsittelyille kuten karkaisulle ja erilaisille hehkutuksille. Teräksen koostumus, mikrorakenne ja valmistusprosessi vaikuttavat kaikki yhdessä saataviin ominaisuuksiin. 11

12 muistiinpanoja 12

13 mikrorakenne mikrorakenteeksi kutsutaan rakennetta, jota voidaan tutkia erilaisilla mikroskoopeilla mikrorakennetutkimuksen kohteita ovat mm. metallin kiderakenne sulkeumat erkaumat ainesviat rakennevyöhykkeet mikrorakenne muodostuu sulan jähmettymisen yhteydessä metalleilla lähes aina järjestäytynyt kiderakenne yleisimmin syntyy karkea valurakenne syntyvä rakenne voi olla stabiili tai se voi muuttua lämpötilan laskiessa tai muokkauksen / lämpökäsittelyjen yhteydessä 13

14 muistiinpanoja 14

15 metallien rakenne nww.evtek.fi/n/karisv/materiaaliteknologia/luento_04%5b1%5d.ppt kaikki metallit jähmettyvät sulasta tilasta kiteiseen olomuotoon, millä tarkoitetaan sitä, että metalliatomit asettuvat tiettyyn järjestykseen toisiinsa nähden ja tämä järjestys toistuu ideaalisessa kiteessä säännönmukaisesti 15

16 muistiinpanoja 16

17 hila kiderakenteelle on tyypillistä, että se on säännöllistä ja toistuvaa yksinkertaisinta tällaisen rakenteen muodostavaa yksikköä kutsutaan yksikkökopiksi (unit cell) yksikkökopille voidaan määrittää sivujen pituudet (a,b,c) ja sivujen väliset kulmat (α,β,γ) näitä kutsutaan hilavakioiksi tai hilaparametreiksi (lattice parameter) kiderakennetta kutsutaan myös hilaksi. 17

18 muistiinpanoja 18

19 metallien yleisimmät kiderakenteet metallien tärkeimmät kiderakenteet ovat: pintakeskinen kuutiollinen (pkk) tilakeskinen kuutiollinen (tkk) heksagonaalinen tiivispakkaus (htp) tkk -kiderakenne 19

20 muistiinpanoja 20

21 pintakeskinen kuutiollinen rakenne pkk (fcc = face centered cubic) tiivispakkaushila omaa erinomaisen kylmämuovattavuuden sitkeä myös matalissa lämpötiloissa suurin tyhjä kolo 41.4% hilan atomin halkaisijasta -> voidaan seostaa suhteellisen helposti korkeissa lämpötiloissa stabiili γ-fe (l. austeniitti), austeniittinen ruostumaton teräs, Al, Ni, Cu, Ag, Pt ja Au ei-magneettinen 21

22 muistiinpanoja 22

23 tilakeskinen kuutiollinen rakenne tkk (bcc = body centered cubic) ei sisällä tiiviistipakkautuneita tasoja muovattavuus on kohtalainen voi esiintyä kylmähaurautta suurin tyhjä kolo 29% hilan atomin halkaisijasta -> tähän mahtuu vain vaivoin hiiliatomi matalissa lämpötiloissa stabiili α-fe (l. ferriitti), ferriittinen ruostumaton teräs, Mo, V, Cr magneettinen 23

24 muistiinpanoja 24

25 martensiitti martensiitti on austeniitin hajaantumisen tuloksena muodostunut kova ja hauras faasi se on tetragonaalisesti vääristynyttä hiiliylikyllästeistä ferriittiä eli uusi ferriittiin pohjautuva rakenne, johon hiili on jäänyt pakkotilaan martensiitti muodostuu austeniitista alle 220 C lämpötiloissa suurilla jäähtymisnopeuksilla ja matalissa austeniitin hajaantumislämpötiloissa ei diffuusio tapahdu riittävän nopeasti, vaan austeniitti hajaantuu leikkautumismekanismilla leikkautumismekanismi on hyvin nopea ja martensiittia muodostuu erittäin suurillakin jäähtymisnopeuksilla (esim. vesisammutus) 25

26 muistiinpanoja 26

27 martensiitti martensiitin ja austeniitin yksikkökoppien yhteys, sekä martensiitin tetragonaalisuuden riippuvuus hiilipitoisuudesta on esitetty kuvassa 27

28 muistiinpanoja 28

29 martensiitti martensiittejä esiintyy teräksellä kahta eri tyyppiä, korkealla hiilipitoisuudella ja/tai hitaammalla jäähtymisnopeudella syntyy levymartensiittia levymartensiitti on ominaisuuksiltaan kovaa ja haurasta ja sillä on taipumus lohkomurtumiseen matalammalla hiilipitoisuudella ja/tai nopeammalla jäähtymisnopeudella syntyy sälemartensiittia sälemartensiitti on kovaa, lujaa ja kohtuullisen sitkeää muodostuneen martensiitin kovuus riippuu hiilipitoisuudesta seuraavassa kalvossa olevan kuvan mukaisesti martensiitti on usein niin haurasta, että sitä pitää sitkistää päästön avulla (lähes aina) 29

30 muistiinpanoja 30

31 Martensiitti 31

32 muistiinpanoja 32

33 lämpökäsittelyn vaiheet!!! yksinkertaisen lämpökäsittelyn vaiheet ovat: kuumentaminen pito tavoitelämpötilassa jäähdyttäminen kuumenemiseen vaikuttaa kappaleen muoto ja koko uunin kuumennusteho teräksen koostumus pitoaika aika, jonka kappale on pitolämpötilassa pyritään tasaamaan lämpötila- ja koostumuserot jäähdytys pinnan ja sisäosan välille syntyy lämpötilaeroista johtuen rakenne-eroja ja lämpöjännityksiä 33

34 muistiinpanoja 34

35 karkaisu ja päästö kyseessä on ehkä tunnetuin terästen klassisista lämpökäsittelyistä tavoitteena on saada teräkseen suuri kovuus ja martensiittinen rakenne kovuus > 60 HRC saavutetaan hyvä kulumisenkestävyys sitkeys ja muodonmuutoskyky huonoja kovuus riippuu olennaisesti teräksen hiilipitoisuudesta H M = ( C%)HRC, pätee kun C% < 0.6% kun C% > 0.6%, jäännösausteniitti pehmentää rakennetta 35

36 muistiinpanoja 36

37 karkaisu ja päästö austenitointi l. karkaisuhehkutus, yleensä C A 3 :n yläpuolella (rakenne puhtaasti austeniittinen) pitoaika t[min] = 20 + d (ilmauuni), t[min] = 5 + d (suolakylpyuuni), missä d[mm] = kappaleen läpimitta sammutus nopea jäähdytys, jolla varmistetaan, että austeniitti hajaantuu martensiittireaktiolla nopein sammutus saadaan aikaan tekemällä se suolaveteen seosteräkset sammutetaan yleensä öljyyn, mikä ehkäisee repeämien synnyn 37

38 muistiinpanoja 38

39 karkaisu ja päästö martensiitti on ominaisuuksiltaan erittäin kovaa mutta haurasta kun %C < 0,1% hiilipitoisuuden eli matalahiilinen martensiitti on käyttökelpoista sitkeysominaisuuksiltaan suoraan karkaisun jälkeen jos %C > 0,2% on päästö välttämätön käyttökelpoisen sitkeyden aikaansaamiseksi parhaaseen kovuuden (kulutuskestävyyden) ja sit-keyden yhdistelmään päästään kun päästölämpötila on alhainen, n. 200 C mikäli päästö suoritetaan korkeammassa lämpötilassa (n C), on kyseessä ns. nuorrutus 39

40 muistiinpanoja 40

41 kriittinen jäähtymisnopeus 41

42 muistiinpanoja 42

43 käytännössä C p-% käyttö karkaisu sammutus päästö HRC 0.5 miekat 830 C öljyyn C puukot 830 C öljyyn C miekat 830 C öljyyn C puukot 830 C öljyyn C miekat 830 C öljyyn C puukot 830 C öljyyn C kovuus [HRC] %C = 0.5 %C = 0.6 %C = päästölämpötila [ C] 43

44 muistiinpanoja 44

45 ruostumaton teräs Ruostumaton teräs on puukontekijän kannalta hiiliterästä hankalampi materiaali - mutta käyttäjän näkökulma on toinen: esim. vain aniharvalla on keittiössä enää hiiliteräksestä tehtyjä veitsiä. Ruostumattomasta teräksestä tehdyt puukot kestävät tyylikkäästi myös kala- ja eräretket. Oli aika, jolloin ruostumaton puukonterä oli ainoastaan nätti. Työkaluksi siitä ei ollut. Näin oli, mutta näin ei enää ole. Tämä muutos on niin tuore, että sen ovat huomanneet vasta kaikkein valistuneimmat puukkomestarit ja ulkomailta huippupuukon hankkineet asiakkaat. Esimerkiksi ATS-34 saadaan lämpökäsiteltyä lähes parhaimpien työkaluterästen veroiseksi 45

46 muistiinpanoja 46

47 rst yleistä 47

48 muistiinpanoja 48

49 ruostumattomat teräkset yleistä 49

50 muistiinpanoja 50

51 ruostumattomat teräkset yleistä 51

52 muistiinpanoja 52

53 yleisimmät materiaalistandardit 53

54 muistiinpanoja 54

55 austeniittiset 55

56 muistiinpanoja 56

57 ferriittiset & martensiittiset 57

58 muistiinpanoja 58

59 ruostumattomat lisätietoa hyvää terämateriaalia ajatellen tarvitaan suurta kovuutta, tasaisesti jakautuneita karbidierkaumia ja riittävän korkeaa matriisin kromipitoisuutta martensiittinen ruostumaton teräs on tällainen materiaali, kun: hiilipitoisuus on luokkaa 0,6 p-%, kovuuden >60HRC saavuttamiseksi kromipitoisuus on vähintään 12 p-% korroosionkestävyyden takaamiseksi molybdeeniä voidaan seostaa korroosionkestävyyden ja karkenevuuden parantamiseksi ja karbidirakenteen kontrolloimiseksi näiden terästen kovuus perustuu austeniitin muuttumiseen martensiitiksi aivan kuten hiiliterästenkin kyseessä ollessa 59

60 muistiinpanoja 60

61 61

62 muistiinpanoja 62

63 hiilen liukoisuus viiva A B kertoo sen kuinka paljon hiiltä liukenee austeniittiin mitä enemmän kromia sitä niukempi liukoisuus on ei pystytä hyödyntämään hiilen martensiittia lujittavaa ominaisuutta A B 1537 C 1093 C 650 C 63

64 muistiinpanoja 64

65 ruostumattomat lisätietoa seuraavan sivun isoterminen leikkaus Fe-Cr-C systeemin ternääristä faasitasapainopiirroksesta kertoo mitä faaseja eri Cr- ja C pitoisuuksilla esiintyy 1000 C:ssa täydellinen martensiittimuutos edellyttää, että karkaisuhehkutuksessa saadaan aikaan puhtaasti austeniittinen rakenne (piiroksessa symboli γ) kuvaan on kiinnitetty piste, joka kuvaa AISI 440C tyyppisen teräksen koostumusta havaitaan, että rakenteessa on γ:n ohella myös M 7 C 3 tyyppisiä karbideja sammutuksessa ei saada aikaiseksi täysin martensiittista rakennetta, vaan siellä on myös 1000 C:ssa syntyneitä karbideja 65

66 muistiinpanoja 66

67 Fe-Cr-C 1000 C isotermi 67

68 muistiinpanoja 68

69 ruostumattomat lisätietoa tasapainopiirroksessa Carbon saturation line faasiraja kertoo kuinka paljon hiiltä austeniitti pystyy liuottamaan ylimäärä hiili muodostaa kromikarbidierkaumia (M 23 C 6, M 7 C 3 ), joita on sitä enemmän mitä kauempana oikealla faasirajasta seos on faasidiagrammista voidaan määrittää austeniitin koostumus siitä muodostuneen martensiitin koostumus on sama; esimerkkinä alla olevassa taulukossa AISI 440C AISI440C %C %Cr basic γ at 1000 C γ at 1100 C

70 muistiinpanoja 70

71 Fe-Cr-C 1100 C isotermi 71

72 muistiinpanoja 72

73 ruostumattomat lisätietoa AISI 440C tyypin teräksiin on useasti seostettu n. 0.8 p-% molydeeniä (Mo) seuraavan sivun tasapainopiirroksen mukaisesti Mo seostus laajentaa M 23 C 6 karbidin stabiilisuusaluetta M 7 C 3 :n kustannuksella allaolevassa taulukossa on esitetty C, Cr ja Mo pitoisuudet austeniitissa sekä karbidierkaumien osuus rakenteessa AISI440C (0.8%Mo) %C %Cr %Mo M23C6* M7C3* basic γ at 1000 C γ at 1100 C * mol-% 73

74 muistiinpanoja 74

75 Fe-0.8Mo-Cr-C 1000 C isotermi 75

76 muistiinpanoja 76

77 AISI 420 tyypin teräkset kromipitoisuus 12 14% hiilipitoisuus min. 0,15% saavutettavat kovuudet: XXHRC (1.4021), 54HRC (1.4028) ja 55HRC (1.4304) %C %Si %Mn %P %S %Cr %Ni %Mo %V %Al %Nb AISI 420, EN min max AISI 420J, EN EN min max

78 muistiinpanoja 78

79

80 muistiinpanoja 80

81

82 muistiinpanoja 82

83 EN

84 muistiinpanoja 84

85 EN

86 muistiinpanoja 86

87 AISI 440 tyypin teräkset kromipitoisuus 16 18% kovuus päästettynä 51HRC (440A), 55HRC (440B), 57HRC (440C) %C %Mn %P %S %Mo %Cr %Si %V %Ni 440-A max 0.04 max 0.03 max 0.75 max B max 0.04 max 0.03 max 0.75 max C max max max 1.00 max F max max 0.05 min 1.00 max F-SE 440- XH max max max 1.00 max min

88 muistiinpanoja 88

89 AISI 440B karkaisuhehkutus C päästö C 89

90 muistiinpanoja 90

91 AISI 440B 91

92 muistiinpanoja 92

93 AISI 440B 93

94 muistiinpanoja 94

95 AISI 440C vastaava kuin EN korkeampi hiilipitoisuus tuottaa paremman kovuuden karkaisuhehkutus C päästö C 95

96 muistiinpanoja 96

97 ATS-34 alunperin Hitachi Steel Companyn tuote HRC saavutettavissa hyvä sitkeys vaatii kaksinkertaisen päästön vastaa USA:ssa aiemmin kehitettyä 154-CM terästä erittäin sulkeumapuhdas teräs kaksinkertaisen vakuumikäsittelyn ansiosta (nostaa toki raaka-aineen hintaa) %C %Si %Mn %P %S %Cr %Ni %Mo Crucible 154-CM ATS

98 muistiinpanoja 98

99 ruostumattoman teräksen pinnanlaatu pinnanlaatuun (sileys, heijastavuus, ulkonäkö) vaikuttaa ensisijaisesti ruostumattoman teräksen valmistusprosessi levytuotteiden valmistuksessa käytetään valssaustekniikkaa (kuuma- ja kylmävalssaus) teräksen paksuuden pienentämiseen esim. Outokummun Tornion tehtailla ohennetaan n. 175 mm:n paksuinen aihio (n. 25 t painava, mm leveä ja 10 15m pitkä) kuumavalssaamalla paksuuteen 3 12,5 mm tästä ohentamista jatketaan kylmävalssauksella asiakkaan haluamaan loppumittaan 0,4 6,35 mm valssausprosessi ja sitä seuraava hehkutus ja pinnan puhdistus (mekaaninen hilseenpoisto tai elaktrolyyttinen- /happopeittaus) vaikuttavat ratkaisevasti syntyvään pinnanlaatuun 99

100 muistiinpanoja 100

101 ruostumattoman teräksen pinnanlaatu kuumavalssattua, hehkutettua ja peitattua ruostumatonta terästä Ra > 4 µm 71% reduktioon kylmävalssattua ruostumatonta terästä 20% reduktioon kylmävalssattua ruostumatonta terästä Ra = n 0,4 µm 101

102 muistiinpanoja 102

103 ruostumattoman teräksen pinnanlaatu kylmävalssattua, hehkutettua, peitattua ja viimeistelyvalssattua ruostumatonta terästä kylmävalssattua, hehkutettua, peitattua ja märkähiottua ruostumatonta terästä Ra = n. 0,3 µm Ra = n 0,3 µm 103

104 muistiinpanoja 104

105 pinnankarheus Waterworth A., PhD thesis, University of Huddersfield,

106 muistiinpanoja 106

107 pinnanlaadut / OTW 107

108 muistiinpanoja 108

109 pinnanlaadut / OTW 109

110 muistiinpanoja 110

111 1B -pinta Waterworth A., PhD thesis, University of Huddersfield, 2006 kuumavalssattu, hehkutettu ja peitattu 111

112 muistiinpanoja 112

113 1B -pinta Waterworth A., PhD thesis, University of Huddersfield,

114 muistiinpanoja 114

115 1B -pinta rolled 115

116 muistiinpanoja 116

117 2B pinta Waterworth A., PhD thesis, University of Huddersfield, 2006 kylmävalssattu, hehkutettu ja peitattu, viimeistelyvalssattu 117

118 muistiinpanoja 118

119 2B -pinta Waterworth A., PhD thesis, University of Huddersfield, 2006 laaksot tasanteet 119

120 muistiinpanoja 120

121 2B -pinta Waterworth A., PhD thesis, University of Huddersfield,

122 muistiinpanoja 122

123 2E ja 2B -pinta Profilometrimittaukset 2E; Ra = µm 2B; Ra = µm 123

124 muistiinpanoja 124

125 2B/2E -pinta 2B 2E 125

126 muistiinpanoja 126

127 127

128 muistiinpanoja 128

129 Damaski teräkset nimitys on peräisin 1700 luvulta, tuolloin sitä käytettiin kuvaamaan keski-idästä tuotuja pintakuviollisia teräksiä kuvioita voitiin tehdä kuviohitsauksella tai sitten kidekuviointia käyttäen 129

130 muistiinpanoja 130

131 valmistusprosessi - laminointi 131

132 muistiinpanoja 132

133 valmistusprosessi - laminointi 133

134 muistiinpanoja 134

135 valmistusprosessi - kuviotaonta laminointi tuottaa yhdensuuntaisen kuvioinnin taottaessa teelmää litteäksi kuviointiin syntyy epäjatkuvuuskohtia jos halutaan kontrolloida syntyvää kuviointia voidaan käyttää kolmea tekniikkaa: kiertotaivutusta, kuviolyöntiä ja kuvioleikkaus (torsion twisting, pattern coining, pattern cutting) 135

136 muistiinpanoja 136

137 valmistusprosessi - kuviotaonta pattern coining pattern cutting 137

138 muistiinpanoja 138

139 tuotteet pulverimetallurgiaan perustuva valmistusmenetelmä tuottaa huomattavasti hienomman ja yhtenäisemmän mikrorakenteen seoksessa käytetään tyypillisesti kahta erilaista lähtömateriaalia 139

140 muistiinpanoja 140

141 tuotteet - kuviot mm. kuvissa esitettyjä kuviointeja saatavissa 141

142 muistiinpanoja 142

143 materiaalit seuraavia perusaineita tuotanto-ohjelmassa: %C %Si %Mn %P %S %Cr %Ni %Mo %V Notice RWL PMC27 316L < L < x dark etching 926.x bright etching 968.x AISI x AISI

144 muistiinpanoja 144

145 RWL34 karkeneva, martensiittinen ruostumaton seos kovuus max. 62HRC VC erkaumat lisäävät kovuutta 145

146 muistiinpanoja 146

147 968.x 147

148 muistiinpanoja 148

149 93x.y 149

150 muistiinpanoja 150

151 151

152 152

153 153

154 154

155 155

156 156

157 1537 C 1093 C 650 C 157

158 158

159 159

160 Lisätietoja: Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu, tekniikka t&k Materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmä Timo Kauppi,TkL, tutkijayliopettaja Puh Web-sivut: aineenkoetuspalvelut tutkimuspalvelut asiantuntija- ja koulutuspalvelut 160