Kon Teräkset Harjoituskierros 6.

Transkriptio

1 Kon Teräkset Harjoituskierros 6. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka

2 Viikkoharjoitus #6 - kysymykset Mitä on karkaisu? Miten karkaisu suunnitellaan? Miten karkaisu vaikuttaa teräksen ominaisuuksiin? Mitä on karkaisu ja päästö? Mikä on nuorrutus?

3 Käytännön ongelmia Teräksen pintakovuutta halutaan parantaa, mutta samalla halutaan välttää kalliiden seosaineiden käyttöä. Miten lämpökäsittelyllä voidaan muuttaa teräksen mikrorakennetta siten, että samanaikaisesti saavutetaan korkea lujuus sekä suuri sitkeys. Syklisen kuormituksen alaisen voimansiirtoakselin väsymiskestävyys halutaan maksimoida. Miten tämä saavutetaan?

4 Tehtävä 1. Määritä seuraavan 42CrMo4 teräksen kriittiset läpimitat D IC, D I sekä D 0. Määritä parametrit sekä kuvaajan että MoserLegat kaavan avulla. Miten kriittinen läpimitta muuttuu, jos sammutusväliaineena on ideaalisen sammutustehon (H= ) omaavan seoksen sijasta sekoitettu öljy (H=0,4) tai seisova vesi (H=1).

5 Karkenevuuden arviointi Grossmanin menetelmällä 1. Muunnetaan geometria vastaamaan pyörötankoa 2. Lasketaan ideaalinen kriittinen läpimitta (D IC ) teräksen hiilipitoisuuden ja perinnäisen austeniitin raekoon perusteella. 3. Korjataan kriittisen halkaisijan arvoa seosaineiden määrän perusteella laskien (D I ). 4. Lasketaan sammutusväliaineen sammutustehon (H) avulla kriittinen läpimitta D Verrataan saatua kriittistä läpimittaa tavoiteltuun tilanteeseen

6 Tehtävä 1. Moser-Legat kaavan avulla D IC määritetään kuvaajasta: D IC = 14 mm D D D I I I D IC 2,21 14mm 2,21 75,8mm (% Mn) (0,75) 1,40 1,40 (% Si) (0,30) 2,13 (% Cr) 2,13 (1,00) 3,27 3,27 (% Mo) (0,2) 1,47 1,47 (% Ni) (0)

7 Karkenevuuden arviointi Grossmanin menetelmällä, sammutusväliaine 1. Muunnetaan geometria vastaamaan pyörötankoa 2. Lasketaan ideaalinen kriittinen läpimitta (D IC ) teräksen hiilipitoisuuden ja perinnäisen austeniitin raekoon perusteella. 3. Korjataan kriittisen halkaisijan arvoa seosaineiden määrän perusteella laskien (D I ). 4. Lasketaan sammutusväliaineen sammutustehon (H) avulla kriittinen läpimitta D Verrataan saatua kriittistä läpimittaa tavoiteltuun tilanteeseen

8 H-arvot Ääretön sammutusteho tarkoittaa väliainetta, jossa kappale kastamishetkellä saavuttaa väliaineen lämpötilan. Todellisissa sammutusväliaineissa sammutusteho matalampi Seisovan veden H-arvoksi on sovittu 1. Muunnos D I D 0 käyrästöjen avulla

9 Ideaalinen väliaine Seisova vesi Hiili, seosaineet ja sammutusväliaine Öljy Ilma Hiili ja seosaineet

10

11 Hiili, seosaineet ja sammutusväliaine Seisova vesi Öljy Ilma Hiili ja seosaineet

12 Tehtävä 1. D I on noin 73 mm 76 mm (riippuen määritystavasta) Tämä tarkoittaa, että ko. teräksellä voidaan äärettömän sammutustehon omaavalla sammutusväliaineella saada kriittiseksi läpimitaksi (D 0 ) noin 75 mm. ääretön sammutusteho tarkoittaa väliainetta, jossa kappale kastamishetkellä saavuttaa väliaineen lämpötilan. kriittinen läpimitta = mikrorakenne on min. 50% martensiittia kappaleen keskihalkaisijalla. reaalisilla sammutusväliaineilla saavutetaan: seisova vesi D 0 50 mm sekoitettu öljy D 0 35 mm (ilma D 0 14 mm) eli vesisammutuksella voidaan läpikarkaista maksimissaan 50 mm halkaisijan omaava tanko ja öljyllä 35 mm tanko.

13 Kovuuden (ja mikrorakenteen ) määrittäminen Jominy-nauhan avulla 1. Karkaistava dimensio idealisoidaan tangoksi. 2. Muunnetaan halkaisija sammutusväliaineen sammutustehoarvon (H) avulla Jominy-etäisyydeksi. 3. Tarkistetaan karkaistavaan kappaleeseen syntyvä kovuusväli Jominy-nauhasta 4. Arvioidaan kovuuden perusteella mikrorakenne, esimerkiksi CCTkuvasta.

14 Sammutushalkeilu eli mitä Grossman ei huomioi! Grossmanin menetelmä ei huomio karkaisussa syntyviä jännityksiä tai halkeiluriskiä 1. Termiset jännitykset Epätasaisesta jäähtymisestä pinnan ja sisäosan välillä 2. Faasimuutoksesta johtuvat jännitykset Martensiitin syntyminen aiheuttaa voimakkaan tilavuuden muutoksen. Nämä yhdessä aiheuttavat säröilyä Lisäksi todellisissa kappaleissa geometriset epäjatkuvuudet. Sammutusväliaineen valintaa rajoittaa usein (yleensä aina) teräksen sammutushalkeiluriski.

15 H-arvot vs. todellisuus Todellisuudessa sammutusväliaineiden jäähdytysteho vaihtelee lämpötilan mukaan. Sammutustehon kuvaaminen yhdellä arvolla (H) koko lämpötilaskaalalle ei kuvaa todellisuutta kovinkaan hyvin Laskenta H-arvojen perusteella ainoastaan suuntaa-antava.

16

17 Keskeytetty sammutus eli martempering Martempering = Sammutus pysäytetään ennen M s lämpötilaa ja jatketaan kun sisä- ja ulko-osan välinen lämpötila on tasaantunut

18 Tehtävä 2. Tehtävänä on lämpökäsitellä oheisen kuvan mukaisia murskaimen vasaroita. Vaatimuksena on vähintään 50 HRC pintakovuus. Pintaan ei saa muodostua voimakasta kovuusgradienttia, vaan kovuuden tulee olla 12 mm syvyydellä vähintään 45 HRC. Iskumaisesta kuormituksesta johtuen vasaran sisäosan tulee olla sitkeä ja sen kovuus on rajoitettu välille HRC. Valitse vasaroihin sopiva teräs, kun käytettävissä on öljykarkaisulaitteisto. C Mn Cr Mo Ni Si C45E 0,45 0, ,3 42CrMo4 0,4 0,7 1,1 0,2 0 0,4 25CrMo4 0,25 0,7 1,1 0,2 0 0,3 20MnCr5 0,2 1,1 1, ,4 40NiCrMo6 0,4 0,7 0,9 0,25 2 0,2

19 Edustava poikkileikkaus Standardi SFS-EN määrittelee edustavan poikkileikkauksen seuraavasti: A.2.1 Mikäli koekappaleet otetaan tuotteista, joilla on yksinkertainen poikkileikkaus, ja kohdista, joissa on näennäisesti kaksiulotteinen lämpövirtaus, kohdat A A ovat voimassa. A Pyörötankojen edustava poikkileikkaus on nimellishalkaisija (työstövaraa ei oteta huomioon). A Kuusi- ja kahdeksankulmiotankojen edustava poikkileikkaus on kahden vastakkaisen sivun nimellisetäisyys. A Neliö- ja suorakulmiotankojen edustava poikkileikkaus määritetään kuvassa A.1 esitetyn esimerkin mukaisesti.

20

21

22

23 Tehtävä 2. Tarkistetaan ensin jominykäyrien avulla maksimikovuudet, jotka materiaaleilla voidaan saavuttaa: Max kovuus (HRC) Tavoite yli 50 HRC C45E OK 20MnCr Liian matala 25CrMo Liian matala 42CrMo OK 40NiCrMo OK

24 Wellsin mukaan

25

26 9-15 mm mm mm

27 Tehtävä 2. Kootaan materiaalille asetetut vaatimukset taulukkoon: Vaadittu kovuus (HRC) Jominyetäisyys (mm) Pinta > mm (3/4) > Keskusta Jominy-etäisyys (tuuma) 0,35-0,6 =5,6/16-9,6/16 0,75-0,8 =12/16-13/16 1-1,2 =16/16-19/16

28 C45E

29 Tehtävä 2. Jominynauhasta havaitaan, miten 40NiCrMo6 täyttää pinnan kovuuteen asetetut vaatimukset selvästi. Sisustan kovuus on kuitenkin kyseisellä materiaalilla aivan liian suuri!

30 Tehtävä 2. 42CrMo4HL: vaikuttaisi parhaalta vaihtoehdolta käyttökohteeseen. Noin seosainespeksin puolivälistä. HH laatu on liian syvään karkeneva, jolla vaarana on liian suuri kovuus keskellä vasaraa.

31 42CrMo4 CCT-kuvaaja

32 Tehtävä 2. Valitaan 42CrMo4 ja päästö 200 C. Tarvittaessa valinta voidaan rajata HL (matalaan karkeneva) versioon. Kaikissa kohteissa suuri karkenevuus ei ole eduksi. Seosaineet nostavat merkittävästi teräksen hintaa. Liian voimakas karkeneminen ja täysin martensiittinen rakenne voivat aiheuttaa epäedullisen jännitystilan kappaleen pintaan. Karkenevuus ja seosaineet valitaan aina tapauskohtaisesti!

33 Grossman vai Jominykäyrät? Grossman: Karkenevuuden vertaaminen, soveltuvan teräksen arvioiminen Jominykäyrät: Karkenevuuden varmistaminen.

34 Nyt tulossa pitempi tauko! Tehkää palautustehtävää! klo mennessä Luennot jatkuvat normaalisti Seuraava harkka 11.4.