Kon Teräkset Harjoituskierros 7. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

HTML
DOWNLOAD

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Kon Teräkset Harjoituskierros 7. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka"

Aarne Auvinen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

Kon-67.3110 Teräkset Harjoituskierros 7.

1 Kon Teräkset Harjoituskierros 7. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

3 Hammaspyörät Suunnittelustandardit Euroopassa esimerkiksi: ISO Calculation of load capacity of spur and helical gears Part 1: Basic principles, introduction and general influence factors Part 2: Calculation of surface durability (pitting) Part 3: Calculation of tooth bending strength Part 5: Strength and quality of materials Part 6: Calculation of service life under variable load USA: vastaavat AGMA standardit AGMA = American Gear Manufacturing Association

4 Hammaspyörien mitoitus Sallittu pintapaine: σ HP = σ Hlim Z NT S Hlim Z L Z V Z R Z W Z X Jossa σ Hlim on sallittu jännitys (huomioi lämpökäsittelyn ja materiaalin), S Hlim on varmuuskerroin ja Z n ovat kertoimia pinnanlaadulle, voitelulle, nopeudelle, jne. Sallittu taivutusjännitys: σ FP = σ Flim Y ST Y NT S Flim Y δrelt Y RrelT Y XR Jossa σ Flim on sallittu jännitys (huomioi lämpökäsittelyn ja materiaalin), S Flim on varmuuskerroin ja Y n ovat kertoimia hampaanmuodolle, loviluvulle, pinnanlaadulle ja koolle, jne.

5 Sallittu jännitys σ H_lim (pintapaine) Läpikarkaistu Induktio- tai liekkikarkaistu Hiiletyskarkaistu

6 Sallittu jännitys σ F_lim (taivutusjännitys) Läpikarkaistu Induktio- tai liekkikarkaistu Hiiletyskarkaistu

9 Hiiletyskarkaisu Hankala tavoite: 1. Väsymisen ja kulumisen kesto 2. Kova ja luja, kulutusta kestävä pinta. 3. Sitkeä sisus Pitää saavuttaa yhdellä käsittelyllä.

10 Teräksen pinnan hiilettäminen

11 Teräksen pinnan hiilettäminen

12 Teräksen pinnan hiilettäminen

13 Tehtävä 1. Lasketaan hiilen diffuusioon vaadittava aika Fickin 2. lain avulla: C t D 2 C 2 x Asettamalla sopivat reunaehdot, yhtälöstä voidaan ratkaista etäisyyttä vastaava konsentraatio tietyllä hetkellä. Ratkaisua varten tehdään seuraavat oletukset: teräksen alkuperäinen hiilipitoisuus C 0 x kasvaa pinnasta kohti keskiakselia alkutilanteen aika t=0 hiiletysatmosfäärin hiilipitoisuus on tasaisesti C S Yhtälölle saadaan reunaehdot: C=C 0 kun t=0 ja 0 x C=C s kun t>0 ja x = 0 C=C 0 kun x =

14 Tehtävä 1. Kyseisillä reunaehdoilla yhtälö saa muodon: C C x S C C erf jossa virhefunktioon: 2 x Dt, erf z z 2 e 0 n 2 dn on sijoitettu z Lasketaan ensin diffuusiovakio D hiilelle austeniitissa, kun D 0 on 2,3x10-5 m 2 /s, diffuusion aktivaatioenergia Q D on 148 kj/mol, T = 1223 K ja kaasuvakio on 8,31 J/mol - K x 2 Dt Qd kJ mol D 11 2 D0 exp 2,3 10 m s exp m RT 8,31J mol K 1223K s

15 9,6 h 4,4 h

16 Hiilipitoisuus (%) Tehtävä 1. 1,4 1,2 1 1,3 %C (4 h) 0,8 Skemaattinen profiili tasauksen jälkeen 0,8 %C (17 h) 0,6 0,4 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Etäisyys pinnasta (mm)

17 Rajakovuus 550 HV ~0,3 0,4 %C

19 Teräksen pinnan hiilettäminen - mikrorakenteet

20 Tehtävä 2. Teräksen pinta koostuu martensiitista. Martensiitin seassa saattaa olla, etenkin korkeilla hiilipitoisuuksilla jäännösausteniittia. Martensiitin hiilipitoisuus on pinnassa 0,6 %C. Pintakerros on hiiletystä seuranneen diffuusiohehkutuksen jälkeen varsin tasainen. Rajakovuutta (550 HV) vastaava hiilipitoisuus on noin 0,4 %C, joten martensiitin hiilipitoisuus laskee kohti perusaineen hiilipitoisuutta.

21 Tehtävä 2. Pinnassa mikrorakenne on siis martensiittia, jonka hiilipitoisuus laskee kohti perusaineen hiilipitoisuutta syvyyden funktiona. Syvemmällä rakenteessa martensiitin seassa alkaa esiintyä bainiittia. Bainiitin osuus rakenteessa kasvaa edettäessä syvemmälle rakenteeseen. Keskustaan on muodostunut bainiitin sekaan ferriittiä ja perliittiä.

22 Tehtävä 2. Matalahiilisillä teräksillä 50/50 martensiittis-bainiittinen rakenne vastaa noin 360 HV (n. 36 HRC). kovuutta. 20CrMn5

23 Tehtävä 2. Käyttökohteessa ei sallittu lainkaan ferriittis-perliittistä rakennetta. Usein hiiletyskarkaistavassa kappaleessa vaaditaan keskiakselille vähintään 50%:sti martensiittista rakennetta, jossa ei saa olla lainkaan ferriittiä tai perliittiä. Matalahiilinen martensiittis-bainiittinen rakenne muuttuu hiiletyskarkaisua seuraavassa matalan lämpötilan päästössä ( C) sitkeäksi sisustaksi. Ferriittis-perliittinen sisusta romahduttaisi materiaalin väsymisominaisuuksia esim. hammaspyörissä.

24 Päästö Lopuksi päästö matalassa lämpötilassa oc. Liian korkea päästölämpötila laskee martensiittipinnan kovuutta ja poistaa edullisen jännitystilan => ei toivottua Sisäosan matalahiilisyys vaikuttaa siihen, ettei siitä tule liian kovaa/lujaa.

25 Suojakaasut lämpökäsittelyssä

26 Muita pintakarkaisuja: -Typetys -Induktiokarkaisu -Liekkikarkaisu

27 Tehtävä 3. Arvio oheisen Fe-N tasapainopiirroksen avulla, mitä tapahtuu seosteräkselle (esimerkiksi 42CrMo4), kun uuniin johdetaan 550 C lämpötilassa ammoniakkia (NH 3 ). Miten tilanne muuttuu, jos teräs olisi seostamaton hiiliteräs?

28 Typetyskarkaisu

29 Tehtävä 3. Teräksen pinnassa ammoniakki hajoaa vapaaksi typeksi: 2NH H 3 2N 3 Typpi diffuntoituu teräkseen ja muodostaa raudan kanssa g (Fe 4 N) ja e-nitridejä (Fe 2 N ja Fe 3 N). Pintaa muodostuu ohut (n mm), erittäin kova ja kulutusta kestävä pinta. Kovan pinnan alla diffuusiokerros (n. 1 mm), joka koostuu koherenteista M-nitrideistä (M=kromi, molybdeeni, alumiini ja vanadiini). Seostamattomilla teräksillä vaarana on päästöhauraus. Pitkän hehkutusajan vuoksi teräkset ovat yleensä seostettuja, jolloin päästöhaurausriski pienenee. 2

30 Arvioi oheisen jatkuvan kuumennuksen piirroksen avulla, miten lämpökäsittely poikkeaa normaalista austenitointihehkutuksesta, kun C45E teräksen pintakerros halutaan karkaista induktiokuumennuksella. Tehtävä 4.

31 Induktiokuumennuksella kappaleen pinta voidaan karkaista hyvin nopeasti. Teräksen pintaan syntyy pyörrevirtoja, joiden vaihtelusta materiaali kuumenee. Karkaistavan materiaalin tulee olla magneettista. Saavutetaan hyvin suuria kuumennusnopeuksia (satoja C/s) nopea menetelmä. Austenitointipiirroksesta havaitaan, että faasimuutosten rajat siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin, kun kuumennusnopeus kasvaa. Esimerkiksi homogeeninen austeniittirakenne syntyy 1 K/s kuumennusnopeudella n. 850 C:ssa. Vastaavasti 500 K/s nopeudella austeniittirakenne syntyy 1050 C:ssa. Tehtävä 4.

32 Austenitoitumisen nopeus eri mikrorakenteilla

33 Austenitoitumisen kulku ja vaikutus teräksen ominaisuuksiin

35 Pintakarkaisumenetelmät - induktiokarkaisu

36 Pintakarkaisumenetelmät - induktiokarkaisu

37 Pintakarkaisumenetelmät - induktiokarkaisu

39 Pintakarkaisumenetelmät - induktiokarkaisu

42 Pintakarkaisumenetelmät - liekkikarkaisu

43 Ensi kerralla Seuraava (ja viimeinen) viikkoharjoitus pidetään Aiheena rosterit eli ruostumattomat teräkset

Samankaltaiset tiedostot

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 2. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikan laitos

Kon Teräkset Viikkoharjoitus 2. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikan laitos Kon-67.3110 Teräkset Viikkoharjoitus 2. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikan laitos Luennolta: Perustieto eri ilmiöistä Kirjoista: Syventävä tieto eri