Teräkset Kon kurssi Tekn. tri Kari Blomster LÄMPÖKÄSITTELY PINTAKARKAISUT Pintakarkaisut. Typetys eli nitraus

Transkriptio

1 1 Teräkset Kon kurssi Tekn. tri Kari Blomster LÄMPÖKÄSITTELY PINTAKARKAISUT Pintakarkaisut Typetys eli nitraus Typetyskarkaisu on todellinen pintakarkaisumenetelmä, jossa atomaarinen typpi tunkeutuu diffundoitumalla teräksen pintaan noin 1 mm:n syvyyteen asti eikä käsittelyn aikana perusteräksessä diffuusiokerroksen takana tapahdu muutoksia. Typpikaasu N2 ei sovellu typetykseen typen antajaksi, koska siinä typpiatomit ovat sitoutuneet kaksiatomiseksi molekyyliksi, joka on hyvin stabiili, inertti. Typen luovuttajana käytetään kaasumenetelmissä ammoniakkia, josta typpiatomin irtautuminen ammoniakkimolekyylin termisessä hajoamisessa katalyyttisesti teräksen pinnalla tapahtuu huomattavalla kemiallisella aktiivisuudella. Diffuusiokerroksessa ja teräksen pinnalla syntyy raudan ja seosaineiden nitridejä ja karbonitridejä, joiden vaikutuksesta pinnan ja diffuusiokerroksen kovuus nousee merkittävästi perusteräksen kovuudesta. Teräksen ulkopinnalle kasvaa yhtenäinen, eimetallinen kerros raudan nitridejä ja karbonitridejä, nimeltään yhdistekerros. Samalla kappaleen pinnan liukuominaisuudet metallista vastinpintaa vastaan liukuparissa paranevat kitkakertoimen pienentyessä, kappaleen jäykkyys ja väsymislujuus sekä jopa korroosionkestävyys paranee nitraamattomaan pintaan verrattuna. Yhdistekerroksen alla typpi diffundoituu noin 0,5 mm:n syvyyteen. Typetyssyvyyden rajakovuus on perusaineen kovuus (HV1) +50HV1 kohti pintaa. Typetyskarkaisua tehdään eniten kolmella päätavalla: 1)atmosfääriuuneissa kaasunitrausta 2)suolakylvyissä Tenifer-nitrausta ja 3)alipaineuuneissa ioni-nitrausta. Kaikille menetelmille on yhteistä reaktiosta vapautuvan, atomaarisen, metastabiilin typpiatomin teräksen ja sen seosaineiden typetysreaktion ylläpitäminen vakiolämpötilassa noin C:ssa. Prosessilämpötilassa erkautuneet nitridit ovat kestäviä prosessilämpötilaan asti ja vasta lämpötilan ylittäminen aiheuttaa nitridien karkeutumista ja kovuuden laskua typetyskerroksessa.

2 2 Kuva 1. Tuloksena nitrauksesta teräksen pintaan muodostuu selkeästi kaksiosainen kerros, yhdistekerros ja diffuusiokerros. Teräkset Typetysmenetelmän käytön peruslähtökohta on se, että kappaleet ovat mitoilleen koneistetut, valmiit jo ennen typetystä. Muodonmuutosten ja vetelyjen tulee olla niin vähäiset, ettei jälkityöstöä enää tarvitse tehdä. Tämä edellyttää typetettäviltä teräksiltä täydellisesti pysyvää rakennetta perusteräksessä käsittelylämpötilassa; usein osille tehdään myöstöhehkutus etukäteen typetyslämpötilaa korkeammassa lämpötilassa. Typetykseen sopivat periaatteessa kaikki teräkset; tavallisimpia ovat nuorrutusteräkset, hiiliteräkset, rakenneteräkset ja työkaluteräkset sekä joskus erityiset typetyskarkaisuteräkset. Niukkaseosteisissa nuorrutusteräksissä typetyksen kannalta tärkeitä seosaineita ovat Cr, Al, Mo ja V. Tavallisin nuorrutusteräs on 42CrMo4 ja typetysteräs 34CrAlMo5. Rakenteen pysyvyyden kannalta on tärkeätä suorittaa nuorrutuksen päästö C yli typetyslämpötilan, tavallisimmin käytetään nuorrutusteräksen vakiotoimitustiloja. Tällöin myöskään jännitykset poistava myöstökään ei vaikuta teräksen mikrorakenteeseen eikä huononna mekaanisia lujuusarvoja.

3 3 Typetyskaasut ja tavallinen kaasutypetys Määrällisesti eniten typetystä tehdään kaasu-uuneissa. Typettäminen eli nitraaminen kaasuilla edellyttää teräksen pinnalta loppukäyttöä ajatellen koneistetun pinnan, joka on typetystä ennen huolellisesti pestävä kaikesta rasvasta, öljystä, pesuaineesta ja liasta puhtaaksi sekä estettävä pinnan ruostuminen ennen uuniin laittoa. Kaikki pesuvirheet näkyvät lopputuloksesta laikkuina ellei sitten niitä saada esihapetuksessa häviämään. Pinnan karheudelle tuleva nitraus asettaa rajoituksia, koska jälkityöstöä nitrauksen jälkeen ei käytännössä voida tehdä. Ainoastaan 600 paperilla voidaan tiivistepinnat silottaa, jottei karheus kuluta tiivistetietä. Nitrausta käytetään pääosin liukuominaisuuksien vuoksi, harvemmin vierintäominaisuuksien vuoksi. Koska nitraus kaasuilla on metallipinnan katalysoima prosessi, sen onnistuminen vaatii kaasujen suoraa kontaktia koko nitrattavan pinnan kanssa. Tästä syystä paikallisesti nitrautuminen on helposti estettävissä suojamaalilla. Esihapetus Ennen varsinaista typetystä kaasuilla aloitetaan pinnan aktivointi suorittamalla uunissa esihapetus noin C:ssa lievästi hapettavissa olosuhteissa. Esihapetuksella tavoitellaan hyvin ohutta pinnan rautaoksidikerrosta, joka sitten varsinaisen nitrauksen alkaessa pelkistyy metalliseksi raudaksi ja samalla pinta aktivoituu katalyysiin sopivaksi. Kaasutypetys Kun nitraus tehdään kemiallisesti kuten kaasu-uuneissa, typen aktiivisuuden korottaminen teräksen nitrautumiseen riittäväksi vaatii ammoniakki kaasun syöttämistä uuniin. Ammoniakki on itsessään typetyslämpötilassa C, 1 bar paineessa vahvasti metastabiili ja teräksen metallisen pinnan katalyyttisen vaikutuksen ansiosta reagoi seuraavan yhtälön mukaan: 2NH3(g)=2[N]+3H2(g) Tuloksena reaktiosta syntyy typpiatomeja ja typen aktiivisuus kohoaa teräksen pinnalla yli nitridirajan (Fe4N), jolloin yhdistettä alkaa syntyä teräksen pinnalla. Antamalla metastabiilissa tilassa ( C) olevan yhdisteen, ammoniakin virrata lähes punahehkuisen teräksen pinnalla, saadaan tämän kautta syntymään muilla keinoin vaikeasti tuotettavat metastabiilit γ -nitridi Fe4N, ε-nitridi Fe2,5N sekä liuotetuksi metastabiilisti typpeä 0,1 % N α-rautaan. Typen metastabiili aktiivisuus uunissa voidaan laskea uunista mitatun kaasukoostumuksen perusteella: an=k ½ *pnh3/ph2 3/2, josta edelleen KN= pnh3/ph2 3/2 Kun syötetään uuniin, jossa on 510 C:een lämpötila, pelkkää ammoniakkia tulee typen aktiivisuuden KN olla vähintään arvossa 2, jotta yhdistekerrokseen syntyisi ε-nitridiä. Yhdistekerrokseen halutaan nimenomaan tätä nitridiä, koska se on sitkeämpää kuin γ - nitridi, mutta kuitenkin yhtä kovaa. Typen aktiivisuuden KN arvon saaminen vähintään arvoon 2, vaatii sellaista ammoniakin virtaussyöttöä uuniin, jossa dissosiaatioaste on alle 40% eli ammoniakkia on uunissa vähintään 60%. Tällöin teräksen pinnalla on yli 8 p-% N, joka on ε-nitridin syntyedellytys nitrauslämpötilassa 510 C, kt. Kuva 2.

4 4 Kuva 2. Nitrauspotentiaalin ja lämpötilan asettelu, kun tavoitteena on ε-nitridin alue. Kaasunitrausajat ovat yleensä noin 20-60h nitrauslämpötilassa ja saavutetut teräskohtaiset ominaisuudet on lämpökäsittelystandardissa SFS 5022 määritelty. Hiilitypetys Tavallista kaasutypetystä lyhyempi on hiilitypetys, jossa nimensä mukaisesti typetyskin tehdään ammoniakilla, mutta lämpötila on tavallisesti C ja lisäksi ammoniakin kanssa syötetään hiilikomponenttia, tavallisesti CO2-kaasua. Reaktio etenee ammoniakkia ja vetyä sisältävässä kaasussa siten, että H2+CO2=H2O+CO jossa reaktiossa kaikki komponentit ovat kaasuja. Edelleen jos syötetty CO2-virtaus on pieni (~5%) tapahtuu seuraava reaktio: CO+H2=[C]+H2O Tässä reaktiossa vapautuva hiiliatomi hiilettää yhdistekerrosta ja muodostuu ternäärisen tasapainopiirroksen mukaisesti hiilipitoista ε-karbonitridiä. Hiilitypetystä eli matalan lämpötilan karbonitrausta käytetään nykyisin laajalti; sen suosiota on lisännyt kauniin harmaan pinnan väri, hyvät liukuominaisuudet, lyhyt käsittelyaika noin 4 h 580 C ja soveltuvuus myös tavallisten rakenneterästen ja hiiliterästen käsittelyyn. Tämä menetelmä vastaa tuotteen ominaisuuksilta suurin piirtein ns. Tenifer-suolakylpynitrausta ja on myös lämpökäsittelynä standardisoitu SFS 5022

5 5 standardissa. Hiilitypetyksessä saavutetaan HV1 kovuusmittauksessa seostamattomassa teräksessä noin HV1 pintakovuus, niukkaseosteisissa nuorrutusteräksissä 42CrMo HV1 ja varsinaisesti nitraukseen tarkoitetuissa nuorrutusteräksissä, kuten 34CrAlNi7 tai 34CrAlMo HV1. Nuorrutusteräksissä perusteräksen kovuustaso säilyy nitrauksen jälkeenkin kuitenkin HV1:n tasolla. Mustanitraus Kolmantena laajalle levinneenä nitrausmenetelmänä on viime vuosina saavuttanut suosiota mustanitraus, joka on hiilitypetysmenetelmästä edelleen kehitetty prosessi. Tätä menetelmää ei ole vuodelta 1984 olevassa standardissa edes mainittu, vaan se on ymmärrettävä hiilitypetysmenetelmäksi, josta lopputulos poikkeaa hienon mustan pintansa ansiosta, josta nimikin tulee. Mustausnitrausta suoritettaessa menetelmässä aloitetaan prosessi kuten hiilitypetyksessä, mutta ammoniakki+hiilidioksidivaiheen jälkeen jatketaan prosessia hapettamalla yhdistekerroksen ulkopinta lievällä hapetuksella, jossa tavoitteena on magnetiitti-, Fe3O4- kerroksen kasvattaminen päällimmäiseksi faasiksi. Hapettaminen tehdään tavallisesti vesihöyryllä H2O:lla. Tämä muuttaa yhdistekerroksen värin harmaan sijasta syvän mustaksi, jolla on ohuena ja ehyenä hyvät ominaisuudet niin liukuominaisuuksia kuin korroosionkestoakin ajatellen. Lisäksi ulkonäkö on mustana ja kiiltävänä hyvin myyvä.

6 6

7 7 Kuva 3. Typetys eli nitrausuuni kaupallisessa karkaisimossa. Valmistaja Fermater Oy. Kuva on käyttöönottovaiheesta. Kuva 4. Typetysuunin prosessinohjaus tapahtuu tietokoneeseen yhdistetyllä logiikalla, jonka I/O ohjaavat uunin kaikkia toimintoja kuvan 3 uunissa.

8 8 Kuva 5. Nitrattuja osia kuvattuna heti käsittelyn jälkeen. Hiilitypetyksen normaali väri on tasainen harmaan kellertävää, ε-nitridiä. Mustanitrauksesta tulee syvän sinertävän musta. Induktiokarkaisu Induktiokarkaisu poikkeaa pintakarkaisuna, tai paikalliskarkaisuna hiiletyskarkaisusta merkittävästi. Induktiokarkaisu on nopea suorittaa, helppo automatisoida, koska tapahtuu sähköllä. Ei tarvita yleensä suojakaasuja. Tarvitaan sen sijaan yleensä suhteellisen kallis laitteisto ja erilaisille osille omat induktorinsa. Induktiokuumennus kohdistuu kappaleen ulkopintaan ja samanaikaisesti pinnan alla olevaan teräkseen induktiokelassa kulkevan vaihtovirran taajuuden määräämässä syvyydessä. Suuri taajuus matala syvyys; pieni taajuus suuri tunkeuma ja syvyys. Induktiokarkaisun kuumennus tapahtuu nopeasti karkaisulämpötilaan ja erittäin lyhyen pitovaiheen jälkeen sammutetaan nestesuihkulla (vesi- 5% polymeeri). Kuumennus ei ulotu kappaleen sisäosiin, joten perusteräs on alkuperäisessä tilassaan, ja muodonmuutokset ovat yleensä vähäiset. Nykyaikaiset induktiovirtalähteet ovat puolijohdetekniikkaa, tavanomaiset taajuudet ovat alueella 1-20kHz ja pintateho noin 1-3 kw/cm 2. Sammutusnesteenä käytetään erivahvuisia vesi/vesi-polymeeriliuoksia. Tällöin saavutetaan noin 3-10 mm:n karkaisusyvyys. Karkaisusyvyys määritetään mikrokovuusmittauksella rikotusta karkaisukerroksen poikkileikkauksesta SFS-EN standardin mukaan. Induktiokarkaisu soveltuu erityisen hyvin kappaleille, jotka geometrialtaan ovat yksinkertaisia ja pyörähdyssymmetrisiä. Tämä rajoitus tulee lähinnä induktorin rakenteesta ja siitä, että kappaletta yleensä on hyvä pyörittää kuumennuksen ja

9 9 sammutuksen aikana tasaisen lämmönsiirron aikaansaamiseksi. Eduksi on myös karkaistavien pintojen olakkeettomus, ei reikiä, kiilauria tms. Esim. voitelureijät karkaistavalla laakeripinnalla voidaan tulpata meltoraudalla ja tasoittaa karkaistavan pinnan tasoon ennen karkaisua, jonka jälkeen karkaisu voidaan tehdä ilman säröilyvaaraa. Myös karkaistavan kappaleen keskittäminen kelojen suhteen on tehtävä huolellisesti symmetrisen kuumennuksen ja jäähdytyksen saamiseksi. Paikalliskarkaisumenetelmälle on tyypillistä ja edullista, että tarvittaessa myös vain pinnan osankin voi karkaista. Karkaisu voi tapahtua vaaka- tai pystyasennossa. Esimerkkeinä kuljettimen osat, erilaiset akselit, valssit, telat, tiivistepinnat, laakerikaulat, hammaspyörät, nokka-akselit jne. Perusteräksen ominaisuudet Induktiokarkaistavat teräkset ovat yleensä nuorrutusteräksiä, tavanomaisin nuorrutusteräs induktiokarkaisussa lienee sarja C45, 25CrMo4, 42CrMo4. Näillä teräksillä päästään ainoastaan kohtuullisiin martensiittikovuuksiin, maksimissaan noin 56 HRC:n karkaisun jälkeen. Pintakovuusvaatimuksen kasvaessa tästä suuremmaksi, on teräksen hiilipitoisuutta lisättävä, ja jos samanaikaisesti perusteräksen lujuusarvojen suhteen on erityisvaatimuksia tai kappaleen seinämävahvuudet ovat suuret, on muidenkin seosaineiden pitoisuutta lisättävä eli on siis valittava paremmin karkeneva nuorrutusteräs. Alan kirjallisuudessa esitetään usein rajoituksia perusteräksen hiilipitoisuudelle; yli 0,50 % C sisältävän perusteräksen induktiokarkaisu saattaa tuottaa karkaisuhalkeamia, tämähän on sinänsä tärkeä raja, koska kovuuden 60 HRC ylittäminen vaatii tätä korkeampia hiilipitoisuuksia. Toisaalta käytännön kokemukset ovat hieman erilaiset ja tässä yhteydessä onkin tarkasti eroteltava minkätyyppistä terästä induktiokarkaistaan. Jos lähtökohtaisesti tavoitellaan vastaavaa pinnan mikrorakennetta kuin hiiletyskarkaistussa pinnassa: päästömartensiittisen mikrorakenteen mahdollisimman suuri kovuus, ei jäännösausteniittia yli 5-10 %, ei karbideja, onkin käytetyn teräksen hiilipitoisuus valittava tarkasti samalla tavalla kuin tavoitehiilipitoisuus hiiletysteräksen pinnalla. Teräksen muut seosaineet voivat tässä yhteydessä muodostua ongelmaksi aiheuttamalla muutoksen kovuusmaksimin hiilipitoisuuteen. Esimerkki Eräässä tapauksessa pyrittiin induktiokarkaistussa kappaleessa saavuttamaan paras mahdollinen kovuus 350 C:n päästön jälkeen. Olennainen osa tehtävää oli siis säilyttää myös karkaisukovuus päästössä. Tehdyn perusselvityksen perusteella päädyttiin teräkseen, jolle valmistaja (OVAKO Imatran terästehdas) antoi seuraavan analyysin valmistustoleranssin: C % 0,64-0,7, Si % 1,5-1,7, Mn %0,5-0,7, P %<0,015, S %<0,012, Cr %0,35-0,55, Ni %<0,3, Mo %0,43-0,5, V % 0,15-0,25, Cu % <0,25. Teräksen analyysi muistuttaa vain vähän tavanomaista nuorrutusterästä, mutta on huomattava, että analyysi on painotettu parasta päästönkestoa silmälläpitäen.

10 10 Perusteräksen haluttu nuorrutuslujuus ja -kovuus määräävät nuorrutuksessa käytetyn päästölämpötilan. Kun tästä etukäteen nuorrutetusta teräksestä tehtiin kappaleet ja induktiokarkaistiin ne tavalliseen tapaan, saavutettiin HRC pintakovuus. Kun kappaleet oli päästetty 250 C:ssa 2 h oli kovuustaso HRC ja 350 C:ssa 2 h, saavutettiin vielä HRC kovuus eli noin 700 HV20:n kovuustaso. Matalan lämpötilan päästönkestoltaan teräs on ylivoimainen verrattuna mihin tahansa martensiittiseen teräkseen. Induktiokarkaistun kerroksen mikrokovuudet, päästö 300 C Kovuus HV ,89 kw/cm2 1,8 kw/cm2 1 kw/cm2 Perusteräs Etäisyys pinnasta mm Kuva 6. Mikrokovuusmittauksen tulokset 300 C:n päästön jälkeen karkaisukerroksen leikkauksesta.

11 11 Kuva 7. Induktiokarkaistun pinnan mikrorakenne valomikroskoopissa, mikrorakenteessa ei ole karbideja, vain vähän jäännösausteniittia. Mikrorakenteessa ei todettu karbideja; jäännösausteniittia oli jonkin verran. Kappaleissa ei todettu myöskään mitään mikro- tai makrosäröjä. Karkaistussa pinnassa vallitsee todella hyvä jäännöspuristusjännitystila sekä aksiaali- että vannesuunnassa, kuva 9. Toisaalta välittömästi karkaisukerroksen alla on vastaavasti edellisen tasapainottamiseksi jäännösvetojännitystila. Tämä jäännösvetojännitys saattaa eräissä tapauksissa muodostua kynnyskysymykseksi varsinkin, jos huolimatta paksusta, kovasta pintakerroksesta, pinnan alla oleva teräs joutuu väsyttävälle kuormitukselle alttiiksi. Jäännösjännitykset Lämpökäsittelyn tuloksena syntyy työkappaleisiin huoneenlämpötilassa pysyviä jäännösjännityksia; jäännösjännitysten mittaaminen on työlästä ja niitä harvemmin mitataan 100 %:sti kuten kovuutta. Jäännösjännitykset jaetaan yleensä kolmeen pääryhmään: ne ovat joko veto-, neutraali- tai puristusjäännösjännityksiä. Kuvassa 8 on esitelty eri lämpökäsittelyiden tuloksena syntyneet jäännösjännitykset työkappaleessa, jota on käsitelty kuumentamalla ja jäähdyttämällä siten, että jäähdytyksessä on tapahtunut karkeneminen, karkeneminen ainoastaan pinnasta tai vaihtoehtona läpikuumentaminen/pintakuumentaminen A1 alapuolelle ja jäähdytys, jolloin faasimuutosta ei ole tapahtunut. Tuloksena vetojännitys (Zug) syntyy, jos työkappale läpikarkaistaan eli martensiittia syntyy pinnasta keskiviivalle asti. Vastaavasti vetojännitys syntyy pinnalle, jos vain pintaa kuumennetaan eikä kuumenneta A1:n yläpuolelle.

12 12 Tuloksena sen sijaan syntyy puristus (Druck), kun työkappale kuumennetaan kokonaan alle A1 ja jäähdytetään (terminen karkaisu). Niin ikään jää pintaan puristus, kun työkappale on matalaan karkenevaa terästä, joka karkenee vain ulkopinnastaan martensiitiksi; tähän ryhmään voidaan sijoittaa myös hiiletyskarkaistut työkappaleet, joissa pinnan hiilipitoisuus verrattuna perusteräkseen on korkea ja rakenne pinnassa puhtaasti martensiittia. Kun kysymyksessä on induktiokarkaisu, siinä kuumennetaan austeniitiksi vain ulkopinta, joka myös karkenee. Silloinkin pintaan jää puristusjäännösjännitys, kuva 9. Puristusjännityksen vastineeksi syvemmällä kappaleessa kehittyy vetojännityksen alue. Lämpökäsittelyn tavoitteena on saada lopputuloksena työkappaleeseen puristusjännitys pintaan. Kuva 8. Jäännösjännitystilan tyyppirakenne huoneenlämpötilassa, joka on syntynyt erilaisten lämpökäsittelyjen tuloksena.

13 Kuva 9. Jäännösjännitystila, joka kehittyy sylinterikappaleessa induktiokarkaisussa. 13

14 14 Jäännösjännitysjakauma Jäännösjännitys MPa Induktiokarkaisu Jatkettu sammutus Yhdistetty jännitys -600 Etäisyys pinnasta seinämässä mm Kuva 10. Induktiokarkaisussa käytetään joskus työkappaleen esilämmitystä noin 350 C:een, jonka avulla voidaan muuttaa induktiokarkaisussa syntyvää pinnan alaista vetojännitystä neutraaliksi ja lisätä pinnan puristusjäännösjännitystä. Samalla induktorin vaatima tehontarve vähenee, mutta sammutusaika vastaavasti pitenee. Käytetään vain, jos pinnan alaisesta vetojännityksestä on haittaa.