Terästen lämpökäsittelyt

Transkriptio

1 Terästen lämpökäsittelyt Teräkseen halutaan käyttötarkoituksen mukaan erilaisia ominaisuuksia. Jossain tapauksessa teräksestä tehdyn kappaleen tulee olla kovaa ja kulutusta kestävää, joskus taas sitkeää ja hyvin taivutettavaa. Usein teräsosien tai rakenteiden valmistus määrää teräksen ominaisuudet. Teräksen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa lämpökäsittelyillä. Tällöin itse asiassa muutetaan teräksen mikrorakenne halutuksi. Mikrorakenne vaikuttaa taas teräksen ominaisuuksiin. Teräksille voidaan tehdä monia lämpökäsittelyjä kuten normalisointi, karkaisu, päästö, nuorrutus, perlitointi, bainitointi, pintakarkaisu, rekristallisointi, pehmeäksihehkutus, myöstö, vedyn poistohehkutus ym. Normalisointi Normalisoinnin tarkoituksena on sitkeyden lisääminen ja mekaanisten ominaisuuksien tasaaminen. Usein valun tai taonnan jälkeen kiderakenne on epätasainen. Suuret rakeet alentavat sitkeyttä eli teräs on haurasta. Normalisoinnilla muutetaan kiderakenne hienoksi. Raekoon pienentäminen perustuu kidemuodon muutoksen hyväksikäyttöön (kuva 17.1). Teräs kuumennetaan austeniittialueelle, josta sen annetaan jäähtyä vapaasti ilmassa. Normalisoinnin tuloksena syntyy sitkeä, hienorakeinen ferriittis perliittinen rakenne. Rakenne täysin austeniittinen Useampia austeniittikiteitä kustakin perliitti-rakeesta C enemmän kiteitä = pienempiä kiteitä Austeniittia Perliittiä Ferriittiä Ennen karkearakeista Kuva 17.1 Normalisointi. Teräs,5 % C,8 1, % C Jälkeen hienorakeista 6

2 Karkaisu ja päästö, nuorrutus Karkaisu ja päästökäsittelyllä lisätään teräksen lujuutta ja kovuutta sekä myös sitkeyttä. Karkaisussa synnytetään kova martensiittinen mikrorakenne, jonka sitkeyttä parannetaan päästöhehkutuksella. malla lämpötila alueella tehtyä päästöä ( ºC) sanotaan nuorrutukseksi. Nuorrutettu teräs on karkaistuun verrattuna vähemmän lujaa, mutta sitkeys on erinomainen. Karkaisussa teräs kuumennetaan austeniittialueelle ja jäähdytetään nopeasti eli sammutetaan veteen, öljyyn tai ilmaan, Sammutuksen jälkeen teräs on välittömästi päästettävä eli kuumennettava uudelleen joko noin 2 ºC:een tai korkeammalle ºC:een. Karkaisuhehkutuksen jälkeisessä sammutuksessa austeniitti muuttuu martensiitiksi. Se on luonteeltaan kovaa ja haurasta. Päästössä sen kovuus alenee jonkin verran, mutta sitkeys paranee merkittävästi. Päästölämpötilaa muuttamalla voidaan valita sopiva lujuuden ja sitkeyden yhdistelmä. Mitä korkeampi on päästölämpötila, sitä alhaisempi kovuus ja parempi sitkeys. Jos halutaan säilyttää karkaisussa saavutettu suuri lujuus ja esimerkiksi kulumiskestävyys, päästetään teräs noin 2 ºC:ssa. Karkaisua ja korkeam Austenitointi Päästö Sammutus Kuva 17.2 Nuorrutus. Karkaisematon Aika ,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 Karkaistu Päästön lämpötila-alue Kuva 17.3 Pintakarkaisut Usein koneenosalta vaaditaan suurta pinnan kovuutta, mutta keskustan lujuus on toisarvoista, mieluummin sen tulee olla sitkeä. Esimerkiksi hammaspyörästä on edullista karkaista vain teräksen pinta. kulutusta kestävä sisustan jäädessä pehmeämmäksi. Rakenteeseen syntyy myös puristusjännityksiä pintaan, mikä lisää väsymislujuutta. Pinta voidaan karkaista kuumentamalla vain se ja sammuttamalla esimerkiksi vesisuihkulla. Kuumennus tehdään tavallisesti sähkön avulla, jolloin puhutaan induktiokarkaisusta. Myös kaasuliekkiä voidaan käyttää, ks. kuva s. 6. Toinen menetelmä on hiiletyskarkaisu. Niukkahiilistä terästä (C =,1...,2 %) kuumennetaan hiiltä luovuttavassa väliaineessa, tavallisesti kaasussa, useita tunteja, jolloin pintaan ja pinnan läheisyyteen siirtyy hiiltä. Karkaisuhetkellä pitoisuus pinnan läheisyydessä on noin,8 %. Pinnasta tulee kova ja Hiiletys Sammutus Päästö Kuva 17.4 Hiiletyskarkaisu. Aika ,,2,4 Päästön lämpötila-alue,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 61

3 Hehkutukset Pehmeäksi hehkutuksessa perliittisen teräksen sementiittilamellit palloutuvat (kuva 17.5 ja 17.6). Käsittelylämpötila riippuu pitoisuudesta. Se on yleensä 5 3 tuntia. Jännitysten poistohehkutuksella vä hennetään valmistustavasta aiheutuvia sisäisiä jännityksiä hitsatuissa raken teissa, valuissa sekä voimakkaasti työstetyissä kappaleissa. Sisäiset jännitykset lisäävät haurasmurtuman 11 ja väsymismurtuman vaaraa sekä aihe uttavat muodonmuutoksia jatkokäsitte lyissä. Hehkutus tapahtuu ºC:n lämpötilassa (kuva 17.7) ja sitä seuraa hidas jäähdytys (noin 15 ºC/h) huoneenlämpötilaan. Vedynpoistohehkutus on tarpeen, kun teräksen sitkeysominaisuudet ovat heikentyneet vedyn vaikutuksesta. Vedyn aiheuttamia säröjä ja murtumia saattaa esiintyä mm. suurissa valan Pehmeäksi hehkutus Perliittisferriittinen teissa ja suurissa taotuissa kappaleissa jäähtymisen aikana sekä hitsauksen yhteydessä. Hehkutus tapahtuu välit tömästi A1:n alapuolella ja sen pituus riippuu teräksen vetypitoisuudesta ja kappaleen paksuudesta (yleensä kymmeniä tunteja). A3 Acm A1 Palloutunut,,2,5,8 1, 1,2 1,4 1,6 Kuva 17.5 Pehmeäksi hehkutus. 11 Jännitystenpoistohehkutus A3 Acm A1,,2,5,8 1, 1,2 1,4 1,6 Kuva 17.7 Jännitystenpoistohehkutus. 62 Kuva 17.6 Rakenteet ennen ja jälkeen pehmeäksi hehkutuksen.

4 11 Rekristallisointihehkutus Ennen Kuva 17.8 Rekristallisaatio. Jälkeen Rekristallisointihehkutusta käytetään kylmämuokkauksessa lujittuneen teräksen pehmentämiseen. Käsittelyssä kylmämuokkautuneet rakeet korvautuvat uusilla kiteillä (kuva 17.8) ja teräkseen palautuvat sen alkuperäiset ominaisuudet. Hehkutuslämpötila on... ºC (kuva 17.9). Ilmauunissa suoritettavassa hehkutuksessa teräksen pinnassa tapahtuu hapettumista ja myös usein hiilenkatoa. Mikäli sitä ei voida sallia, on hehkutus tehtävä suojakaasussa tai tyhjössä., A 1,2 A 3 A cm,5,8 1, 1,2 1,4 1,6 Kuva 17.9 Rekristallisointihehkutus. Lämpökäsittelyt terästen tuotantoprosessissa Niukkaseosteisia teräksiä, kuten yleisiä rakenneteräksiä, käytetään tavallisimmin kuumavalssatussa tilassa. Teräksen ominaisuudet riippuvat tällöin koostumuksen lisäksi valssauksen suoritustavasta ja erityisesti viimeisten valssauspistojen lämpötilasta, reduktioista sekä jäähdytyksestä valssauksen jälkeen. Säätämällä näitä tekijöitä voidaan lopputuotteen ominaisuuksiin vaikuttaa melko laajoissakin rajoissa. Nykyaikaiset kuumavalssaamot suunnitellaan siten, että edellä mainittuja tekijöitä voidaan ohjata. Tällä ns. kontrolloidulla kuumavalssauksella voidaan monissa tapauksissa korvata normalisointi, erässä tapauksissa myös nuorrutus. Yhdistämällä tarvittavat lämpökäsittelyt kuumavalssausprosessiin vältetään uusi austenitointikuumennus. Tästä on etua teräksen ominaisuuksia ajatellen myös seuraavista syistä: Kuumavalssauksen korkean aloituslämpötilan sekä muokkautumisen ansiosta austeniitti on homogeenista. Korkean austenitointilämpötilan ansiosta seosaineet ovat hyvin liuoksessa, jolloin saadaan hyvä karkenevuus. Hiilenkato ja hilseily jäävät vähäisemmäksi. Kuumavalssatut levyt ja nauhat Kuumavalssattujen levyjen tärkein lämpökäsittely on normalisointi, jonka tarkoituksena on parantaa teräksen sitkeyttä raekokoa pienentämällä. Samalla myös teräksen lujuusvaihtelut tasoittuvat. Normalisoinnilla saavutettavat levyn ominaisuudet voidaan aikaansaada myös kontrolloidulla valssauksella. Kuumavalssattujen nauhojen tyypillinen toimitustila on nykyisin kontrolloidusti valssattu. Nuorruttamalla saadaan teräslevyihin suuria lujuuksia. Levyt karkaistaan vesisuihkuilla puristimien tai rullien välissä, jolloin estetään levyn käyristyminen. Jos teräs on runsaammin seostettu, se karkenee myös ilmajäähdytyksessä. Tällöin vetelyt eli hallitsemattomat muodonmuutokset jäävät vähäisemmiksi. Karkaisu voidaan tehdä myös valssauksen yhteydessä. Valssainten jälkeen teräsnauha tai levy sammutetaan korkeapaineisilla vesisuihkuilla. Tarvittaessa karkaistut levyt siirretään päästöuuniin. Menetelmää kutsutaan suorakarkaisuksi. Se on huomattavasti kustannustehokkaampaa kuin levytuotteen erillinen nuorrutuskäsittely. 63

5 Kylmävalssatut levyt ja nauhat Kylmävalssauksen lujittamaan nauhaan palautetaan muodonmuutoskyky rekristallisaatiohehkuttamalla nauhakelat kellouuneissa tai liikkuva nauha jatkuvatoimisissa hehkutusuuneissa. Ohjaamalla teräksen koostumusta, kuumanauhavalssausta, kylmävalssauksen muokkausastetta sekä rekristallisaatiohehkutusta voidaan kylmävalssatun ohutlevyn lujuutta ja muovattavuusominaisuuksia vaihdella laajoissa rajoissa. Kellouunihehkutus on nauhakelojen perinteinen hehkutustapa. Uunialustalle pinotaan 3 5 kelaa ja panoksen päälle nostetaan suojakello. Hehkutus tapahtuu suojakaasuatmosfäärissä, joka estää pintojen hapettumisen ja nopeuttaa lämmön siirtymistä. Suojakellon päälle nostetaan maakaasupolttimella varustettu uunikello. Hehkutuksen päätyttyä uunikello vaihdetaan jäähdytyskelloon, jonka ilmapuhaltimilla panos jäähdytetään noin 5 C:een ja puretaan. Koko hehkutustapahtuma kuumennuksineen ja jäähdytyksineen kestää 3 7 tuntia. Jatkuvatoimisessa hehkutuksessa nauha liikkuu esikäsittely, uuni- ja jäähdytysvaiheiden läpi 5 1 minuutissa. Nauhakela avataan ja johdetaan nauhavaraajaan. Kelan loputtua sen jatkoksi hitsataan uusi. Nauhavaraajan tehtävä on mahdollistaa nauhan kulku uunissa vakionopeudella, vaikka alkupää joudutaan hitsauksen ajaksi pysäyttämään. Esikäsittelyjä ovat nauhan pesu, huuhtelu ja kuivaus. Uunissa on esikuumennus-, hehkutus- ja jäähdytysvyöhykkeet. Nauhan lämpötila nousee C:een. Uunissa on suojakaasuatmosfääri ja sitä voidaan käyttää myös jäähdyttämiseen. Hehkutuksen jälkeen nauhan pinta peitataan ja passivoidaan. Kuva 17.1 Kellouuneja. Nopean jäähdytyksen vuoksi ferriittisessä rakenteessa on jonkin verran liuenneena hiiltä. Hyvien kylmämuovausominaisuuksien saavuttamiseksi se on muutettava karbidiksi, mikä tapahtuu jälkihehkutuksella 2 4 C:n lämpötilassa. Tätä käsittelyä sanotaan ylivanhennukseksi. Perlitointi ja bainitointi Nämä ovat ns. isotermisiä lämpökäsittelyjä eli rakennemuutoksen aikaansaamiseen tarvitaan pitoa tietyssä lämpötilassa. Aluksi teräs kuumennetaan austeniittialueelle, minkä jälkeen se siirretään toiseen uuniin tai sulaan lyijy tai suolakylpyyn. Tällöin austeniitti hajoaa toivotuiksi kidemuodoiksi perliitiksi tai bainiitiksi. Perlitointia käytetään luonteeltaan sitkeiden terästen lastuttavuuden parantamiseen. Bainitoinnilla saavutetaan erittäin hyvä sitkeys ja kohtuullinen lujuus. Runsashiilisten lankojen isotermistä käsittelyä vedettävyyden parantamiseksi sanotaan patentoinniksi. Tangot ja langat Tankojen ja lankojen lämpökäsittelyprosessi on monipuolisempi kuin levyillä. Usein teräksen käyttäjät työstävät kappaleen, jolloin sen on vastattava esimerkiksi lastuamisen vaatimuksia. Terästangot voidaan nuorruttaa valmiiksi jo terästehtaassa, jolloin käyttäjältä jää lämpökäsittelyvaihe pois. Taontaa varten teräksen on oltava katkaistavissa kylmänä leikkurilla. Siksi taottavat teräkset on usein pehmeäksihehkutettava. Jos tankoja kylmätaotaan, teräksen on oltava, jos mahdollista, vieläkin pehmeämpää. Tällöin pehmeäksihehkutukset muodostuvat hyvin pitkiksi, jopa 3 tuntia, jotta rakenne pallottuisi täydellisesti. Ruostumattomat teräkset Ruostumattomien terästen tärkein lämpökäsittely on austeniittisten lajien liuotushehkutus ja ferriittisten lajien tasaushehkutus. Liuotushehkutus (austenitointi) tehdään ºC:n lämpötilassa ja jäähdytyksen on oltava nopeaa paksuseinäisillä kappaleilla. Käsittely parantaa mikrorakenteen tasalaatuisuutta, mikä on välttämätöntä hyvien mekaanisten ominaisuuksien ja hyvän syöpymiskestävyyden kannalta. Liuotushehkutus tehdään yleensä jatkuvatoimisessa uunissa ja tasaushehkutus kupu uunissa. 64