Raudan valmistus. magnetiitti (Fe 3 O 4 ) hematiitti (Fe 2 O 3 ) limoniitti (2Fe 2 O 3 3H 2 O) rautasälpä (FeCO 3 )

Transkriptio

1 Luento 5

2 Raudan valmistus Rauta esiintyy maankuoressa tyypillisesti oksideina ja useimmiten rautaa halutaan käyttää metallisessa muodossa. Tyypilliset rautamalmit ovat magnetiitti (Fe 3 O 4 ) hematiitti (Fe 2 O 3 ) limoniitti (2Fe 2 O 3 3H 2 O) rautasälpä (FeCO 3 ) 2

3 Rikastus Hematiitti (Fe 2 O 3 ) on maailman yleisin rautamalmi. Sitä louhitaan avolouhoksista ja sitä ei normaalista tarvitse rikastaa. hematiitti on väriltään ruosteenpunainen Magnetiittia (Fe 3 O 4 ) ei yleensä ole maanpinnalla ja siinä enemmän happea louhinta on kalliimpaa malmi rikastetaan sivukivestä murskaamalla ja magneettierottelulla tai vaahdotuksella magnetiitti on väriltään musta 3

4 Pelkistys Rautaoksidi muutetaan metalliseksi raudaksi hiilimonoksidin avulla 2O + C = CO 2 CO 2 + C = 2CO 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2 FeO + CO = Fe + CO 2 3Fe + 2CO = Fe 3 C + CO 2 4

5 Masuuni Raudan pelkistäminen tehdään masuunissa. Tarvittavat raakaaineet malmia 6000 tonnia koksia 2000 tonnia kalkkikiveä 2500 tonnia ilmaa tonnia Masuunissa syntyy kuonaa 2500 tonnia masuunikaasua tonnia raakarautaa 4000 tonnia 5

6 Masuuni Raaka-aineista koksi, malmi ja kalkkikivi syötetään ylhäältä. Koksin palaessa syntyy lämpöä ja masuunikaasua joka poistuu myös ylhäältä. Masuunikaasu puhdistetaan pölystä ja sillä lämmitetään masuuniin puhallettava ilma. 6

7 Masuuni Alaosasta puhalletaan esilämmitettyä ilmaa koksin palamisen tehostamiseksi. Kalkkikivestä, tuhkasta, uunin tulenkestävästä vuorauksesta ja malmin kiviaineksesta syntyy kuonaa joka kelluu sulan raudan päällä. Syntyvän harkkoraudan koostumus on tyypillisesti C % Si % Mn % S % P % 7

8 Muut menetelmät raudan Kierrätys valmistamiseksi tällä hetkellä käytettävästä raudasta noin 65% valmistetaan malmista ja loput 35% kierrätetystä romusta etuna energian säätö koska rautaa ei tarvitse pelkistää. Pelkkä sulattaminen riittää Suorapelkistys malmista raudaksi pelkistävänä kaasuna esim. vety ja hiilimonoksidi 8

9 Teräksen valmistus Masuunista saatavan raudan hiilipitoisuus on liian korkea teräksen valmistukseen, mutta valurautaan sitä voidaan käyttää. Terästä saadaan kun harkkoraudalle tehdään mellotus eli hiilenpoisto raffinointi eli haitta-aineiden poisto seostus tiivistys eli kaasun poisto 9

10 Mellotus Raudan hiilipitoisuus lähtötilanteessa on noin 4%. Kun sulaan rautaan lisätään happea esimerkiksi puhaltamalla, palavat sulassa olevat alkuaineet seuraavassa järjestyksessä alumiini pii mangaani kromi hiili fosfori rauta Alumiini, pii, mangaani, kromi ja fosfori muodostamat oksidit liukenevat sulan pinnalla olevaan kuonaan. Hiili muodostaa hiilimonoksidia (kaasu), joka poistuu kiehumalla. 10

11 Mellotus Konvertteri käsittely kestää luokkaa 7-8 minuuttia. Sulan tiheys kasvaa kun sen hiilipitoisuus pienenee. Raskas sula painuu konvertterin pohjalle ja kevyt hiilipitoinen sula nousee pinnalle Erillistä sekoittamista ei tarvita 11

12 Konvertteri Mellotus tehdään pääasiassa erilaisissa konvertereissa LD konvertteri LD-KG konvertteri OBM konvertteri Konvertterit eroavat toisistaan puhallustavan mukaan. LD:ssä happea puhalletaan ylhäältä. LD-KG:ssä happea puhalletaan ylhäältä, alta puhalletaan argonia tai typpeä ja OBM:ssä happea puhalletaan alhaalta. Aikaisemmin puhalluksessa käytettiin ilmaa, jolloin kysymyksessä olivat Bessemer konvertteri Thomas konvertteri 12

13 Uunit Konvertterissa käytetään sulaa rautaa esimerkiksi suoraan masuunista. Jos lähdetään liikkeelle kiinteästä raudasta tai teräksestä käytetään uuneja Martin uuni valokaariuuni induktiouuni Martin uunissa teräs lämmitetään kuumalla kaasulla ja niiden käyttö on vähentynyt 13

14 Uunit Valokaariuuni Induktiouuni 14

15 Raffinointi Masuunissa käytettiin rautaoksidin pelkistämiseen koksia, mikä normaalisti nostaa raudan rikkipitoisuuden liian korkeaksi. Lisäksi malmin fosforipitoisuus on tyypillisesti liian korkea. Tyypillisesti käytetään kalkkia CaO, joka muodostaa kuonaa sekä rikin että fosforin kanssa. 15

16 Seostus Teräksen tyypillisiä seosaineita ovat: Si, Mn, Cr, Ni ja Mo. Seosaineet lisätään sopivina raudan yhdisteinä ferropii (75% Si) ferromangaani (75% Mn) ferrokromi (60% Cr) nikkeli metallisena ferromolybdeeni (60% Mo) Seostus tehdään yleensä mellotusuunissa 16

17 Kaasujen poisto Mellotetussa teräksessä on liuenneena happea, typpeä ja vetyä. typpi lisää teräksen vanhenemistaipumusta vety aiheuttaa haurausilmiöitä Nämä voidaan poistaa argonhuuhtelulla tai tyhjiökäsittelyllä AOD-konvertteri (Argon Oxygen Decarburization) VODC-konvertteri (Vacuum Oxygen Decarburization Converter) 17

18 Tiivistäminen Kun sulaan teräksen lämpötila laskee, hapen liukoisuus pienenee. Vapautunut happi muodostaa hiilimonoksidia, josta osa jää loukkuun jähmettyneen metallin sisään tiivistämätön teräs Jos vapautuvat happi sidotaan alumiiniin, ei kaasuhuokosia synny. Tällöin teräs kutistuu jäähtymisen aikana alumiinilla tiivistetty teräs Tiivistäminen voidaan tehdä myös piillä ja mangaanilla 19

19 Tiivistetty teräs Nykyään käytännöllisesti kaikki teräkset valetaan tiivistettyinä. Aikaisemmin kuumamuokattavaksi tarkoitetut teräksen jätettiin tiivistämättä, koska kuumamuokkaus painaa huokoset kiinni. Tiivistyksen yhteydessä syntyneet oksidit nousevat sulan pinnalle. Kappaleen sisälle jääneet sulkeumat aiheuttavat osaltaan muokatun kappaleen syykuviot. Esimerkki syykuviosta 20

20 Valssi ja valssaus (roller and rolling) Valssauksen päätarkoitus on pienentää poikkipintaalaa, parantaa ominaisuuksia ja antaa kappaleelle haluttu muoto. Runko (housing) Voima anturi (load cell) Laakeripesä (chucks) Työvalssi (work rolls) 21

21 Jaottelu Kuumavalssaus (osuus 50%) esivalssatut aihiot, laatat, erilaiset profiilit ratakiskot palkit ja tangot levyt saumattomat putket Kylmävalssaus levyt nauhat lopullinen paksuus pienempi parempi pinnanlaatu suurempi lujuus ja kovuus 22

22 Kuumamuokkaus Riittävän korkeissa lämpötiloissa rekristallisaatioaika on niin lyhyt, että muokattu rakenne rekristallisoituu jatkuvasti muokkauksen aikana 23

23 Jaottelu Paksuus pienenee yhtä paljon, leveys ei muutu ohutlevyt, nauhat, foliot leveys > 20 x paksuus tasomyötymätila Paksuus pienenee yhtä paljon, leveys kasvaa esivalssatut aihiot, laatat, paksut levyt metallit virtaa sekä pituus- että leveyssuuntaan Paksuus muuttuu vaihtelevasti osassa kappaletta paksuus pienenee enemmän kuin muualla (tai muualla paksuus voi kasvaa), metallia voi virrata reunoilta keskelle muokkauksen aikaiset jännityksen monimutkaisia 24

24 Valsseja Duovalssaimessa (twohigh rolling mill) valssin pyörimissuuntaa vaihdetaan tai valssattava kappale siirretään toista kautta valssin etupuolelle. Kolmivalssaimessa alin ja ylin pyörivät samaan suuntaan ja keskimmäinen eri suuntaan. Valssattava kappale voi kulkea valssin läpi molemmilta puolilta. 25

25 Valssausvoima Valssausteoria ei voi esittää lyhyesti, joten hyvin pelkistetysti. Pisteessä N levyn ja valssin nopeus samoja, muualla nauha liukuu valssin pinnassa kitka lämmittää valssia ja nauhaa pintojen kuluminen tehon kuluminen Valssausvoima saadaan pienemmäksi kun valssin ja nauhan välinen pinta-ala on pienempi. 26

26 Valsseja Halkaisijaltaan pienempi valssi taipuu keskeltä valssausvoiman vuoksi. Ratkaisuna on yhdistää pienet työvalssit suurempiin tukivalsseihin. nelivalssain (four-high mill) Valssausvoima ei ole suorassa kulmassa valssaussuuntaan nähden. Ratkaisuna on käyttää kahta tukivalssia (siis yhteensä kuutta valssia). 27

27 Valsseja Sendzimir-valssaimessa valssausvoimat (ja valssien taipuminen) hallitaan usealla tukivalssilla ja -laakerilla. Planeettavalssaimella päästää erittäin suuriin (98%) muokkausasteisiin. 28

28 Muodot Harkko (ingot) Esivalssattu aihio (bloom) mitat > 140 mm x 140 mm Esivalssattu aihio, billetti (billet) mitat > 38 mm x 38 mm Tanko (bar) Laatta (slab) ala > 1030 mm 2 leveys > 2 x paksuus Levy (plate) paksuus > 6.4 mm Ohutlevy (sheet) leveys >> paksuus Nauha (strip) leveys > paksuus Folio (foil) vielä ohuempi 29

29 Muodot Poikkileikkaukseltaan monimutkaisten kappaleiden valssaaminen aloitetaan yleensä tangosta. Haluttu muoto saadaan aikaan usealla pistolla. Eri vaiheet suunnitellaan niin että metalli ei virtaa liikaa muokkauksen aikana. Yksinkertaisen kulmaraudankin valssaus voidaan tehdä monella tapaa. 30

30 Muodot I-palkki valssataan usein yleisvalssaimessa (universal rolling), jolloin järjestelyt ovat monimutkaisemmat. Tarvittavien pistojen lukumäärä on pienempi. Laipan (flange) ja uuman (web) muokkausasteen voivat olla erisuuret. 31

31 1. Charging an electric arc furnace with scrap and slag formers. 2. Melting. 3. Removal of the slag. 4. The steel is refined and alloyed in an ASEA-SKF ladle furnace. 5. The steel is degassed in the same furnace. 6. The steel is teemed uphill into ingot moulds. Each heat is teemed into 24 ingots. 7. The moulds are removed. 34

32 8. The ingots are heated in a soaking pit to the proper rolling temperature. 9. The rolling of ingots into billets is started in rolling stand The oxygen scarfing machine surface defects are removed from the billet. 11. The billet rolling is continued in rolling stands 2 and The billets are inspected and surface defects, if any, are removed by grinding. 35

33 Jatkuvavalu (Continuous casting) Jatkuvavalussa sulaa syötetään kokoajan vesijäähdytettyyn kuparimuottiin. Osittain jähmettynyttä metallia vedetään muotista samaa vauhtia kun sulaa metallia lisätään ylhäällä olevaan välisenkkaan (tundish) 36

34 Terässtandardit

35 Standardit Joka maalla ja järjestöllä oma standardi AISI (USA) SAE (USA) ASTM (USA) ASME (USA) UNS (USA) DIN (Saksa) Werkstoff numero (Saksa) BS (Iso-Britania) AFNOR (Ranska) UNI (Italia) SS (Ruotsi) SFS EN 38

36 Standardit American Iron and Steel Institute (AISI) ja Steels Society of Automotive Engineers (SAE) xx40 Hiilipitoisuus 0,40 painoprosenttia 10xx Hiiliteräkset, Mn enintään 1.00% 15xx Hiiliteräkset, Mn % 13xx Hiiliteräkset, Mn % 11xx Hiiliteräkset, korotettu rikkipitoisuuttu 12xx Hiiliteräkset, korotettu rikki- ja fosforipitoisuus Seostetut teräkset jaetaan niukkaseosteisiin (<8%) ja runsasseosteisiin (>8%) 39

37 Standardit Amerikkalaiset standardit koottu yhteen AISI/SAE 1040 = UNS G10400 Uni?ed Numbering System (UNS) G = AISI/SAE hiili ja seosteräkset F = valuraudat ja valuteräkset J = valuteräkset D = teräkset joilta vaaditaan tietyt mekaaniset ominaisuudet S = lämmönkestävät ja ruostumattomat teräkset T = työkaluteräkset H = karkenevat teräkset 41

38 Standardit The American Society for Testing and Materials (ASTM) Rautametallit, sementti, puu, kankaat, kupari, jne. Materiaaleilta vaaditaan tarkemmat ominaisuudet käyttökohteen mukaan Samalle materiaalille useita standardeja (esimerkiksi 2¼Cr-1Mo löytyy seuraavista) 42

39 Standardit ASTM:n yhdessä standardissa on taasen mukava useita teräksiä. Esimerkiksi ASTM A 213 Seamless Ferritic and Austenitic Alloy Steel for Boiler, Superheater, and Heat Exchanger Tubes pitää sisällään 14 ferriittistä ja 14 austeniittista terästä tulistimia varten Eri teräkset merkitään Txx merkinnällä. Esimerkiksi 2¼Cr-1Mo on tässä standardissa nimellä ASTM A 213 T22 43

40 Standardit American Society of Mechanical Engineers (ASME) Erityisesti paineastiat ASME Boiler & Pressure Vessel Code Käyttää hyväksi ASTM:n merkintöjä ASTM A 213 = ASME SA213 ASM International on pääasiassa erilaisia julkaisuja kustantava organisaatio 44

41 Standardit Deutsches Institut fur Normung (DIN) jaottelee seuraavasti Seostamattomat: Al<0.1%, Cu<0.25%, Mn<0.8%, Si<0.5% ja Ti<0.1% Niukkaseosteiset: seosainepitoisuus ei saa ylittää 5% Runsasseosteiset: seosainepitoisuus yli 5% Seostamattomien ja niukkastiseostettujen nimeäminen Co, Cr, Mn, Ni, Si ja W nimellinen pitoisuus ilmoitetaan luvulla 4 kerrottuna Al, Cu, Mo, Ti ja V nimellinen pitoisuus ilmoitetaan luvulla 10 kerrottuna C, N, P ja S nimellinen pitoisuus ilmoitetaan luvulla 100 kerrottuna Tulkinta voi olla joskus hankalaa... 45

42 Standardit Esimerkiksi 17 CrNiMo 6 Hiili = 17/100 = 0,17% Kromi = 6/4 = 1.5% Nikkeli = 6/4 = 1.5% ja taulukko arvot Hiili = 0,15-0,20% Pii < 0,40% Mangaani = 0,40-0,60% Fosfori < 0,035% Rikki < 0,035% Kromi = 1,50-1,80% Molybdeeni = 0,25-0,35% Nikkeli = 1,40-1,70% Esimerkiksi 21 NiCrMo 2 Hiili = 21/100 = 0,21% Nikkeli = 2/4 = 0,5% Kromi = 2/4 = 0,5% ja taulukko arvot Hiili = 0,17-0,23% Pii < 0,40% Mangaani = 0,65-0,95% Fosfori < 0,035% Rikki < 0,035% Kromi = 0,40-0,70% Molybdeeni = 0,15-0,25% Nikkeli = 0,40-0,70% 46

43 Standardit Lisäksi DIN standardin rinnalla käytetään Werkstoff numeroita Teräksen tietojen ja vastaavuuksien löytäminen ehkä helpointa ko numeron avulla Varsin täsmällinen listaus esim. Stahlschlüssel teoksesta 47

44 Terästen mikrorakenteet

45 Austeniitin hajaantuminen tasapainon mukaisesti 52

46 Hiilipitoisuuden vaikutus mikrorakenteeseen Mitä enemmän hiiltä sen enemmän perliittiä 0,10% perliitti näkyy pieniä tummina laikkuina ferriitin seassa. Lamelirakennetta ei tahdo erottaa 0.40% perliittiä (tummat alueet) ehkä hiukan enemmän kuin ferriittiä (vaaleat alueet). Perliitin lamelirakenne näkyy osissa alueita otollisen orientaation takia (vertaa lohifileeseen) 0.95% perliittiä, mutta ei ferriittiä. Ylieutektoidinen teräs, joten ferriitin sijasta näkyy pieniä määriä esieutektoidista sementiittiä (valkoiset alueet). Hyvällä mielikuvituksella kuvasta näkee myös perinnäisen austeniitin raerajat. 53

47 Seosaineet

48 Seosaineet Hiili Liuoslujittaa, stabiloi austeniittia, lisää karkenevuutta, muodostaa karbidia (erityisesti sementiittiä), laskee M s lämpötilaa Mangaani Deoksidoija, heikko karbidin muodostaja, muodostaa mangaanisulfidia ja vähetään haitallista rautasulfidia, lisää karkenevuutta, liuoslujittaja, stabiloi austeniittia, Fosfori Useimmissa tapauksissa epäpuhtaus, mutta voidaan lisätä niukkahiilisiin teräksiin lujuuden kasvattamiseksi. Parantaa lastuttavuutta. Edistää päästöhaurautta. 58

49 Seosaineet Rikki Epäpuhtaus, mutta voidaan lisätä koneistettavuuden parantamiseksi. Pii Liuoslujittaja, lisää karkenevuutta, lisätään sulaan hapen sitomiseksi (piioksidisulkeumien synty), ei muodosta karbidia, parantaan hapettumisen kestoa Nikkeli Liuoslujittaja, lisää karkenevuutta, lisää sitkeyttä erityisesti matalissa lämpötiloissa, ei muodosta karbideja 59

50 Seosaineet Kromi Pieni liuoslujittava vaikutus, lisää karkenevuutta, parantaa korroosion kestävyyttä ja hapettumisenkestoa korkeissa lämpötiloissa, karbidin muodostaja (tehokkaampi kuin Mn) Molybdeeni Liuoslujittaa, lisää karkenevuutta, voimakas karbidin muodostaja (tehokkaampi kuin Cr), parantaa korkean lämpötilan ominaisuuksia, parantaa virumisenkestoa, estää päästöhauraudan syntyä 60

51 Seosaineet Kupari Monesti epäpuhtaus, sillä aiheuttaa kuumahaurautta. Käytetään joissain teräksissä korroosion keston parantamiseen, liuoslujitukseen ja erkaumakarkaisuun. Pieni liukenevuus teräkseen huoneen lämmössä. Ei muodosta karbideja. Koboltti Parantaa lujutta, parantaa kuumalujuutta, heikko karbidin muodostaja, pienetää karkenevuutta. Tärkeä seosaine työkaluteräksissä ja lämpöäkestävissä teräksissä. 61

52 Seosaineet Wolframi Liuoslujittaa ja lisää karkenevuutta. Vahva karbidin muodostaja. Syntyvät karbidit kovia, kulumiskesto Vanadiini Tärkeä seosaine mikroseostuksessa, pienentää raekokoa, lisää karkenevutta, vahva nitridin muodosta ja muodostaa myös karbideja, pienentää lujuuden laskua päästön aikana Niobium Tärkeä seosaine mikroseostuksessa, pienentää raekokoa, lisää karkenevutta, vahva karbidin muodostaja, muodostaa myös nitridejä 62

53 Seosaineet Alumiini Pienentää raekokoa, tärkeä deoksidoija, muodostaa epäedullista alumiinioksidia, vahva nitridin muodostaja, ei muodosta karbideja Titaani Tärkeä seosaine mikroseostuksessa, pienentää raekokoa, erittäin voimakas karbidin ja nitridin muodostaja, sitoo typen booriteräksissä, tehokas deoksidoija, voi muodostaa titaanisulfidia Boori Lisää karkenevuutta, tehostaa muiden seosaineiden vaikutusta karkenevuuteen 63

54 Seosaineet Typpi Saatetaan lisätä joihinkin mikroseostettuihin teräksiin Lyijy Ei liukene teräkseen, voidaan lisätä koneistettavuuden parantamiseksi, mutta ympäristövaikukset tulee muistaa Vismuutti Parantaa koneistettavuutta Tina, antimoni ja arseeni Epäpuhtaus, edistää päästöhaurautta 64

55 Seosaineet Happi Muodostaa oksideja muiden alkuaineiden kanssa (Mn, Si, Al,Ti, jne) kanssa, jotka voivat laskea sitkeyttä ja väsymiskestoa. Poistetaan alumiini- ja/tai piitiivistyksellä tai vakuumikäsittelyllä Vety Aiheuttaa vetyhaurautta, poistetaan vakuumikäsittelyllä tai hitaalla jäähtymisellä austeniitti-ferriitti muutoksen jälkeen Kalsium Käytetään rikin muotokontrolliin, voimakas deoksidoija, muodostaa sulkeumia 65

56 Seosaineet Zirkooni Käytetään rikin muotokontrolliin, voimakas deoksidoija, muodostaa zirkoniumoksidia, voimakas nitridin muodostaja Cerium Käytetään rikin muotokontrolliin, voimakas deoksidoija 66

57 Seostamattomat teräkset

58 Seostamattomat teräkset Jaottelu Yleiset rakenneteräkset Koneteräkset Paineastiateräkset Laivanrakennusteräkset Ohutlevy- ja putkiteräkset (muovattavuus) Hienoraeteräkset Säänkestävät teräkset Seostamattomat valuteräkset 69

59 Yleiset rakenneteräkset Käsitettä "yleiset rakenneteräkset" ei enää esiinny aikaisempien normien tapaan nykyisissä teräsnormeissa (esim SFS-EN ). Käsite on kuitenkin totutusti edelleen varsin runsaassa käytössä. Alieutektoidisia, ferriittivaltaisia (enintään 1/3 perliittiä) teräksiä (seuraavat kalvot) Kuumavalssatussa teräslevyssä hiilipitoisuuden kasvaessa perliitti usein esiintyy nauhamaisina rakenteina johtuen mangaanin suotautumisesta teräksen jähmettymisen yhteydessä. Mangaani suosii perliitin syntymistä, joten mangaanirikkaille alueille syntyy enemmän perliittiä. 70

60 71

61 72

62 Normeissa SFS-EN ja SFS-EN (alkaen 1993) perinteiseen yleisen rakenneterästen ryhmään kuuluneet teräkset merkitään seuraavasti (kaksi esimerkkiä): S235JRG2 Aikaisempia merkintätapoja St 37 (DIN 17100) Fe 37 B (SFS 200 vv ) Fe 360 B (SFS-EN vv ) S355J2G3 Aikaisempia merkintätapoja St 52-3 (DIN 17100) Fe 52 D (SFS 200 vv ) Fe 510 D1 (SFS-EN vv ) 73

63 Nykyisessä merkinnässä: S tarkoittaa rakenneterästä numerotunnus tarkoittaa myötölujuuden minimiarvoa N/mm 2 (aikaisemmissa normeissa murtolujuuden minimiarvo) numero-osan jälkeiset merkit ilmaisevat iskukokeen iskuenergiavaatimuksen ja kokeen suorituslämpötilan (esimerkeissä JR ja J2) lisätunnukset määrittelevät mm käsittelytavan, toimitustilan sekä mahdollisesti myös tuotemuodon esim. yllä mainituissa esimerkeissä tunnus G tarkoittaa teräksen tiivistystapaa (esim. alumiinitiivistys) ja 3 toimitustilaa (esim. normalisoitu) standardissa on lisäksi esitetty eri tuotemuotoihin, käsittelytiloihin ja käyttökohteisiin liittyvät tunnukset 74

64 Iskukokeen merkintä EN-SFS mukaan Iskusitkeyden minimiarvo J 27J K 40J L 60J Iskukokeen lämpötila C R

65 Yleiset rakenneteräkset Mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttaminen kuumavalssattuina kuumataottuina normalisoituina rekristallaatiohehkutettuina kylmämuokattuina hiiletyskarkaistuina Eivät ole karkaistavia tai nuorrutettavia Lujuus saadaan aikaan hiili ja mangaani seostuksella Koneistettavia ja hitsattavia: ei karkenemista ei kuumahalkeilua, jos epäpuhtauspitoisuudet kurissa Mekaaniset ominaisuudet Murtolujuus MPa Myötölujuus MPa Murtovenymä % 76

66 Yleiset rakenneteräkset Myötövanhenevia: terävä myötö- ja väsymisraja, mutta myös korostunut taipumus haurasmurtumaan sitkeyden transitiolämpötila tyypillisesti välillä o C taipuvaisia rakeenkasvuun austeniittialueella; karkeajakoinen mikrorakenne altis haurasmurtumille Olleet ja yhä ovat teräsrakentamisen valtamateriaali kehitystrendinä lähinnä puhtauden parantaminen sitkeysominaisuuksien edelleen parantamiseksi sekä tiivistäminen alumiinilla tai titaanilla typen ja siitä aiheutuvan myötövanhenemistaipumuks en kurissa pitämiseksi 77

67 Myötövanheneminen Seurausta dislokaatioiden ja seosatomien vuorovaikutuksesta Strain ag(e)ing Dislokaatio saavuttaa alhaisemman energiatilan Tämä lisää dislokaation liikkumiseen tarvittavaa energiaa Lisäys liikkumiseen tarvittavaan energiaan voi olla Paikallista eli staattinen myötövanheneminen Dislokaatioiden liikettä seuraavaa eli dynaaminen myötövanheneminen Seuraavan kalvon esimerkki a) 0.25% C, 0.013% Al ja 0.011% N b) 0.07% C, 0.005% Al ja 0.005% N c) 0.08% C, 0.006% Al ja 0.016% N 78

68 Koneteräkset Lastuttavuutta on parannettu hiilipitoisuutta nostamalla (luokkaa 0,30%) Hitsaaminen on vaikeampaa Käyttökohteita Hydrauliikka Mahdollisisa lämpökäsittelyjä Kuumamuokkaus Normalisointi Jännitystenpoisto Hiiletyskarkaisu (ja päästö) 80

69 Hienoraeteräkset Matala hiilipitoisuus, mutta korkea lujuus. Parempi hitsattavuus. Parempi lujuus/hinta suhde kuin nuorrutetuilla teräksillä. Useita nimityksiä Hitsattavat hienoraeteräkset High-Strength Low-Alloy (HSLA) (Very) high strength steel Pyrkimys pieneen raekokoon jotta mekaaniset ominaisuudet olisivat hyviä. Myötälujuus MPa Mikroseostammalla S355 teräs myötölujuudeksi tulee MPa 81

70 Hienoraeteräkset Menetelmiä Normalisointi (lämpökäsittely) Kuumavalssaus A3-lämpötilan alapuolelle Rakeenkasvua estävien sulkeumien käyttäminen Kontolloituvalssaus Kontrolloitujäähdytys 84

71 Normalisointi Normalisointia käyteään transiitiolämpötilan laskemiseen Mekaaniset ominaisuudet voivat huonontua Mikroseostuksella voidaan parantaa normalisoinnissa saatavia ominaisuuksia Niobikarbidit eivät liukene helposti, haittaavat raeraojen liikkumista ja estävä siten rakeen kasvua 85

72 Normalisointi 86

73 Kontrolloitu valssaus Kontrolloidussa valssauksessa lämpötila ja muokkausaste kussakin vaiheessa on tarkkaan suunniteltu (ominaisuuksien optimoimiseksi) Pääasiallinen tavoite on ferriitin hienoraekoko, joka saadaan aikaan austeniittin raekokoon vaikuttamalla Sopii hiiliteräksille, mutta parhaimmillaan vanadiini tai niobiseostetuille teräksille. Vanadiini ja niobin karbidit ja nitridit estävät austeniitin raekoon kasvun 87

74 Kontrolloitu valssaus 91

75 Nopeutettu jäähdytys 93

76 94

77 Hienoraeteräkset Hienoraeteräkset (HSLA teräkset) jaotellaan Säänkestävät teräkset Mikroseostettutut ferriittis-perliittisiin teräkset Valssatut perliittiset teräkset Asikulaarista ferriittiä sisältävät teräkset Kaksifaasiteräkset Teräkset joissa sulkeumien muoto on kontrolloitu Vetyhaurautta kestävät teräkset 95

78 Säänkestävät teräkset (Weathering steels) Teräkseen lisätys seosaineet muuttuvat syntyvät korroosiotuotekerrosta Oksidikerros muodostuu tiiviinä ja alustassaan kiinni pysyvänä, eikä se kasva paksuutta tietyn rajapaksuuden saavuttamisen jälkeen. Se suojaa alla olevan teräksen ympäristön korrodoivilta vaikutuksilta Teräs ruostuu ja on ruosteisen näköinen, mutta ei syövy pitemmälle Kromi, kupari, fosfori 97

79 Mikroseostettutut ferriittisperliittisiin teräkset Pienellä niobi tai vanadiini seostuksella voidaan nostaa kuumavalssatun teräksen lujuutta ilman hiili- tai mangaani pitoisuuden nostamista Tutkimuksen kohteena 1960-luvulla Erilaisia mikroseostuksia Vanadiini Niobi Niobi-molybdeeni Vanadiini-niobi Vanadiini-typpi Titaani Niobi-titaani Vanadiini-titaani 99

80 Mikroseostus vanadiinilla Kehitettiin säänkestävien terästen jälkeen Muodostaa hienoja (5-100 nm) V(CN) erkaumia ferriittiin 0.01 paino-% lisää lujuutta 5-15 MPa Erkaumat liukenevat kuumavalsauksen aikana ja muodostuvat jäähtymisen aikana, joten jäähtymisnopeuden vaikutus korostuus Seuraan kalvon esimerkissä Alle 170 C/s jäähtymisnopeuksilla V(CN) erkaumien koko kasvaa ja lujittava vaikutus pienenee Suuremmilla jäähtymisnopeuksilla seosaineet pysyvät liuoksessa (syntyy ylikylläinen liuos), erkaumia on vähemmän ja lujittava vaikutus pienenee 100

81 Mikroseostus vanadiinilla Ferriitin raekoon pienentäminen parantaa mekaanisia ominaisuuksia. Menetelmiä Austeniitti-ferriitti faasimuutoslämpötilan laskeminen (esimerkiksi mangaani) Valssauksen aikaisen austeniitin raekoon pienentäminen Perinteinen kuumavalssaus Rekristallisaatio konrolloitu valssaus Perinteisellä kuumavalssauksella päästään myötölujuuteen 415 MPa (0,25% C ja 0,08% V) 102

82 Mikroseostus niobilla Niobin lujittava vaikutus perustuu erkaumien muodostumiseen. Erkaumien koko ja määrä Niobi pienentää tehokkaammin raekokoa kuin vanadium, joten niobia tarvitaan pienemmät määrät 0.01% lisäys nostaa lujuutta MPa Väärä käsittely (viimeistely korkeassa lämpötilassa ja pieni muokkausaste) voi heikentää sitkeyttä 103

83 Mikroseostus vanadiinilla ja niobilla Molempien seosaineiden käyttäminen saa aikaa vielä paremmat ominaisuudet. Mutta Perinteisessä valssauksessa lujittuminen perustuu suurimmilta osin erkaumien muodostumiseen, jolloin transiitiolämpötila nousee Kontrolloidulla valssauksella saadaan raekoko pienemmäksi ja transiitiolämpötilaa alemmaksi Hiilipitoisuude on tyypillisesti pieni (<0.10%), joten perliittiä syntyy vähän. Tällöin sitkeys, venyvyys ja hitsattavuus paranevat 105

84 Mikroseostus niobilla ja molybdeenillä Mikrorakenne on joko Ferriittis-perliittinen tai asikulaarista ferriittiä sisältävä Ferrittis-perliittinen Molybdeenin lisääminen ferriittis-perliittiseen niobiteräkseen nostaa myötölujuutta MPa 0.1% kohden Asikulaarinen ferritti Acicular Ferrite (Low-Carbon Bainite) Saadaan syntymään sopivalla seostuksella (<0,08% C ja Mn, Mo, B) ja ilmajäähdytyksellä Myötölujuus MPa, korkea sitkeys, hyvä hitsattavuus 106

85 Mikroseostus vanadiinilla ja typellä Vanadiini reagoi mielellään typen kanssa muodostaen VN erkaumia Erkaumat voivat laskea iskusitkeyttä, minkä takia hiilipitoisuutta tyypillisesti pienennetään Erkaumat hienontavat raekokoa Typen käyttäminen ei ole suositeltavaa hitsattavissa teräksissä, sillä se on haitallinen lämpöaltistusvyöhykkseen (HAZ) iskusitkeydelle 110

86 Mikroseostus titaanilla Titaanilla on monia vaikutuksia Raekoon hienoneminen Erkaumamien muodostuminen Sulfidien muodon kontrollointi Teräksen pitää olla (alumiinilla) tiivistettyä, jotta titaani reagoisi muiden alkuaineiden kuin hapen kanssa 111

87 Mikroseosaineiden vaikutus ferriitin raekokoon 113

88 Sulkeumien muotokontrolli Ratkaisevia sitkeysominaisuuksien kannalta ovat teräksessä olevat sulkeumat MnS Al 2 O 3 SiO 2 jne. Paitsi sulkeumien määrä, myös niiden koko, muoto ja jakauma ovat tärkeitä. Näihin vaikutetaan ns. sulkeumien muotokontrollin avulla. Tavoitteena sulkeumien määrän vähentäminen, niiden muodon muuttaminen tasa-akseliseksi ja jakauman kontrollointi (sijainti raerajojen sijasta matriisissa) 118

89 Sulkeumien muotokontrolli Senkkainjektointi Toteutetaan injektoimalla konvertterista laskettu, valuun menossa oleva sula (senkassa) kalsiumpitoisilla aineilla (kalsiumpii, -karbidi, -oksidi, -fluoridi jne), jotka pääosin nousevat kuonaan Muovattavuus, hitsattavuus ja sitkeysominaisuudet (erityisesti iskusitkeys transitiolämpötilan yläpuolella) paranevat Sulkeumien koko, muoto, rakenne ja jakauma muuttuvat edullisemmiksi Myös lastuttavuus paranee 119

90 Sulkeumien muotokontrolli 120

91 Niukkaseosteiset teräkset

92 Niukkaseosteiset teräkset Jaottelu Automaattiteräkset Nuorrutusteräkset Hiiletysteräkset Induktiokarkaistavat teräkset Niukkaseosteiset kuumalujat teräkset 122

93 Automaattiteräkset Automaattiteräkset kuuluvat lastuttavuudel-taan parannettujen terästen ryhmään. Terästen lastuttavuus voidaan määrittää monin eri tavoin Tärkeimmät määrittelyt perustuvat leikkaavan työkalun käyttöikään, leikkausnopeuteen, työstön energian kulutukseen ja saavutettavaan pinnanlaatuun Automattiteräkset ovatkin teräksiä, jotka on kehitetty automaattisiin työstökoneisiin, joissa tarvitaan kaikkien edellä mainittujen kriteerien mukaista hyvää työstettävyyttä. Lisäksi automaattinen ja siten miehittämätön työstö vaatii niukkahiiliseltäkin teräkseltä lastun katkeamista hauraasti Rikki, fosfori, seleeni, telluuri, kalsium, lyijy ja vismuutti 123