Terästen lämpökäsittelyn perusteita

Transkriptio

1 Terästen lämpökäsittelyn perusteita Austeniitin nopea jäähtyminen Tasapainopiirroksen mukaiset faasimuutokset edellyttävät hiilen diffuusiota Austeniitin hajaantuminen nopeasti = ei tasapainon mukaisesti Hiilen diffuusio g a faasimuutoksessa g a a g a Hiiliatomi 1

2 Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti = nopeasti Nopeutetussa jäähdytyksessä hiilen diffuusio sementiittiin (Fe 3 C) perliitin muodostamiseksi vaikeutuu lyhyen matkan diffuusio Nopea jäähdytys alhaiseen lämpötilaan (~500 C 350 C ) tasapainorakennetta ei ehdi muodostua Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti = nopeasti (1) Perliittireaktion tilalle tulee bainiittireaktio => syntyy bainiittia 2

3 Bainiittireaktio Korkeissa lämpötiloissa (~ C) syntyvää bainiittia kutsutaan nimellä yläbainiitti, (sulkabainiitti) hauraaampi Alhaisissa lämpötiloissa (~300 C), syntyvää rakennetta kutsutaan alabainiitiksi (neulasbainiitti) sitkeämpi Bainiiti on ferriitin ja sementiitin eutektoidinen seos Ferriittiin jää liuennutta hiiltä karbidina Fe 3 C 3

4 Alabainiitti Yläbainiitti Perliitti Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti = nopeasti (2) Kun teräs jäähdytetään nopeasti ~250 C asti, ohitetaan myös bainiitin syntyalue, diffuusio on nolla Syntyy martensiittia hiiliylikyllästeinen ferriitti hyvin hauras 4

5 Austeniitti Hidas jäähdytys Nopea jäähdytys Ferriitti Martensiitti Rautaatomit Hiiliatomi Fe C g - 2,06 % C a - 0,02 % Loput C Fe 3 C = sementiitti C Fe C Martensiittireaktio Hiilipitoisuuksilla alle 0,6 % muodostuu nk. sälemartensiittia Hiilipitoisuuksilla yli 0,6 % muodostuu nk. kaksostunutta martensiittia 5

6 Kovuus HV Kovuus HRC Martensiitti Kovin ja haurain teräksen rakenteista Kovuus kasvaa lähes lineaarisesti hiilipitoisuuden mukana n. 0.7 %:iin asti Hiilipitoisuus Austeniitin nopea jäähdytys Tuloksena Bainiitti Ei lamellarinen seos ferriitiä and sementiitiä lyhyen matkan diffuusio Martensiiti Hiiliylikyllästeinen ferriitti ei diffuusiota 6

7 Lujuus Sitkeys Mahdolliset faasimuutokset Austeniitti Hidas jäähdytys Nopeutettu jäähdytys Nopea jäähdytys Perliitti+esieutektoid. faasi (α tai Fe 3 C) Bainiitti Martensiitti Martensiitti Päästöm. Bainiitti Hienorak perliitti Karkearak perliitti Päästö Päästömartensiitti Yleisilme Jäähtymiskäyrät Martensiitti- ja bainiittireaktiot vaativat nopeaa jäähdyttämistä alhaiseen lämpötilaan Mikä on nopea jäähdytys? Mikä on alhainen lämpötila? Jäähtymiskäyrät 7

8 Lämpötila Jäähtymiskäyrät Jäähtymistavan ja syntyvän mikrorakenteen välinen yhteys teräskohtaisia Jatkuvan jäähtymisen käyrät (S-käyrät) Isotermiset jäähtymiskäyrät (TTT-käyrät) Ferriitti Perliitti Bainiitti Martensiitti CCT Eutektoidinen teräs (0.8%C) M = Martensiitti P = Perliitti Austeniitti M s Hieno P Karkea P 100 M f M M + P t (s) 8

9 Lämpötila ( C) T Time- Temperature-Transformation (TTT) Curves Isoterminen hajaantuminen Eutektoidinen lämpötila Austenite Eutektoidinen teräs (0.8%C) Pearlite Coarse Fine Pearlite + Bainite Bainite M s Austenite 100 M f Martensite t (s) Jatkuva jäähtyminen Austenointi lämpötila 860 o C Sekuntia Minuuttia Tuntia 9

10 Terästen lämpökäsittelyistä Terästen lämpökäsittelyt Sarja peräkkäisiä lämmityksiä ja jäähdytyksiä Halutaan muuttaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia, (mm. kovuus, lujuus, sitkeys) jotka ovat riippuvaisia mikorakenteesta 10

11 Terästen lämpökäsittelyt Kymmeniä erilaisia muuttujina lämpötila, pitoaika, ympäröivä väliaine, jäähdytysnopeus (kuumennusnopeus) riippuvat haluttavasta lopputuloksesta ja käsiteltävästä teräksestä Lämpökäsittelymenetelmiä Hehkutusmenetelmät mm. Normalisointi Pehmeäksi hehkutus Jännitystenpoistohehkutus Karkaisumenetelmät Termomekaaniset menetelmät 11

12 Hehkutuslämpötiloja P ä ä s t ö A 3 Austeniitti + Ferriitti A 1 Jännitysten poisto Ferriitti + Perliitti Austeniitti Pehmeäksihehkutus A cm Austeniitti + Sementiitti 723 Sementiitti + Perliitti 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Austeniitin nopea jäähdytys Tuloksena Bainiitti Ei lamellarinen seos ferriitiä and sementiitiä lyhyen matkan diffuusio Martensiiti Hiiliylikyllästeinen ferriitti ei diffuusiota Yhteinen nimitys KARKAISU 12

13 Jäähdytysteho Karkaisu Kovuuden ja murtolujuuden nostaminen Hehkutus ~ A C Korkeampi lämpötila raekoko kasvaa Pitoaika riippuu massasta pitkä hehkutusaika tasakokoiset rakeet hiilenkato riskinä Karkaisu Sammutus (nopea jäähdytys) Suolavesi Vesi Oljy Ilma Suolakylpy Al 2 O 3 hiekka Etappikarkaisu 13

14 Päästö Karkaisussa syntynyt martensiitti on haurasta sammutuksen on tehtävä päästö Päämääränä suuri kovuus matalan lämpötilan päästö ~200 C (Lämpötilavälillä C riskinä on päästöhauraus) Nuorrutusteräksille tehdään korkean lämpötilan päästö, sitkeämpi C Teräksen karkenevuus Karkenevuus Kuinka helposti saadaan aikaan martensiitia = hitaalla jäädytysnopeudella Karkenevuus kovuus 14

15 Karkaisu Karkaisussa materiaalin nostetaan materiaalin kovuutta Pintakarkaisumenetelmiä Liekkikarkaisu, hiiletyskarkaisu, typetys Arviointi Teräksen karkenevuus Karkenevuuskerroin hieman Si, Ni, Cu 0,4 0,9 kohtalaisesti Mo, Cr, Mn, Al, (P) 2,2 3,4 paljon V 13 erittäin paljon B 700 tiettyyn rajaan asti Mittaaminen sytyneen martensiittikerroksen paksuus JOMINYKOE 15

16 kovuus, HRC Kovuus, HRC Jominykoe Tasainen pinta 24 C vesi Rockwell C kovuusmittaus Etäisyys jäähdytyspäästä Jominykäyrä Jäähtymisnopeus hidastuu päädystä eteenpäin T( C) Etäisyys jäähdytyspäästä 0% 100% M(start) M(finish) A M Aika (s) Chapter 11-16

17 Kovuus Kovuus Jominynauha Karkenevuus vs. kovuus Karkenevuus martensiitin synty Kovuus - hiilipitoisuus HRC Seostettu teräs Seostamaton teräs HRC ,2 Hiilipitoisuus 0,5 0, mm 80 Etäisyys jäähdytyspäästä 17

18 Lämpötila ( C) Karkaisun suorittaminen: Kuumentaminen (austenitoiminen) Sammuttaminen nopea jäähdytys Päästö kuumennus esim. max C, pitoaika 2 h sitkeys kasvaa ja kovuus laskee Nuorruttaminen Päästäminen korkeassa lämpötilassa ( C), vaihtoehto päästölle Esimerkki 1: Halutaan martensiittinen mikrorakenne Eutektoidinen teräs Hehkutus 760 C kokonaan austeniittiseksi Jäähdytys Nopeasti 250 C:een Pitoaika10 2 sekuntia Jäähdytys huoneenlämpöt Austeniitti, 100% Martensiittia, 100% Aika (s) 18

19 Lämpötila ( C) Lämpötila ( C) Esimerkki 2: Halutaan bainiittinen mikrorakenne Eutektoidinen teräs Hehkutus 760 C kokonaan austeniittiseksi Jäähdytys Nopeasti 350 C:een Pitoaika10 4 sekuntia Jäähdytys huoneenlämpötilaan Bainiittia, 100% Aika (s) Esimerkki 3: Halutaan mikrorakenteeksi Perliittis-bainiittinen Austeniitia, Eutektoidinen teräs Hehkutus 760 C kokonaan austeniittiseksi Jäähdytys Nopeasti 650 C:een Pitoaika 20 sekuntia Nopeasti 400 C:een Pitoaika 10 3 sekuntia Jäähdytys huoneenlämpöt Noin 50% perliittiä, 50% austeniittia Bainiitia, 50% 50% Bainiittia, 50% Perliittiä Aika (s) 19

20 Lämpötila ( C) Lämpötila ( C) Perinteinen karkaisu ja päästö Pinta Päästö haluttuun kovuuteen Keskiosa M s Muutosalue M f Aika (s) Etappikarkaisu Pinta Päästö haluttuun kovuuteen Keskiosa M s Muutosalue M f Aika (s) 20

21 Lämpötila ( C) Bainiittikarkaisu Pinta Yläbainiitti päästö? Keskiosa M s Muutosalue M f Aika (s) Termomekaaniset menetelmät 21

22 Lämpötila C Normalisointi Normalisointilämpötila~ A C Austeniitti Ferriitti Perliitti Hiilipitoisuus Karakeine n Hienorakeine n 22

23 Eutektoidinen teräs (0.8% C) Mikrorakenne Kovuus (HRC) Murtolujuus (MPa) Karkea perliitti Hieno pearlite Bainiitti Martensiitti 65 - Päästömartensiitti (250 o C)