Esipuhe. Helsingissä heinäkuussa 2004 Lämpökäsittelyn toimialaryhmä Teknologiateollisuus ry

Transkriptio

1 Lämpökäsittelyoppi

2 Esipuhe Metallit ovat kiehtova materiaaliryhmä erityisesti siksi, että niiden ominaisuudet ovat muunneltavissa hyvin laajasti. Metalleja voidaan seostaa keskenään, mutta ennen kaikkea niiden ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa erilaisin lämpökäsittelyin. Ainutlaatuinen on teräs, raudan ja hiilen seos. Hiilipitoisuudella on erittäin suuri vaikutus teräksen tärkeisiin ominaisuuksiin, lujuuteen ja sitkeyteen. Hiiliatomien vuorovaikutus rauta-atomien kanssa vaihtelee eri lämpötiloissa ja antaa perustan terästen lämpökäsittelyille kuten karkaisulle ja erilaisille hehkutuksille. Seostamalla muita metalleja teräkseen voidaan lämpökäsittelyjä hallita ja ohjata erittäin tarkasti. Lämpökäsittely voidaan kohdistaa vain teräskappaleen pintaan, jolloin sisustan ja pinnan ominaisuuksista saadaan haluttaessa erilaisia, esimerkiksi kova ja kulutusta kestävä pinta ja pehmeämpi ja sitkeämpi sisus. Lämpökäsittelyillä voidaan ratkaisevasti parantaa rakenteiden ja koneenosien käyttöikää kulumiselle, väsymiselle ja korroosiolle alttiissa olosuhteissa. Tärkeä osa metalliteollisuuden valmistustekniikkaa on lämpökäsittelytekniikka, jota hyödynnetään suomalaisessa metalliteollisuudessa hyvin laajalti ja moderneja lämpökäsittelyyn erikoistuneita yrityksiä on Suomessa useita. Lämpökäsittelytekniikkaa opetetaan myös useassa yliopistossa, korkeakoulussa ja ammattikorkeakoulussa. Sopivan suomenkielisen oppimateriaalin puute onkin ollut alan koulutuksen puute. Oppikirjoina on jouduttu käyttämään englanninkielisiä kirjoja, jolloin vieraskielinen termistö on usein aiheuttanut vaikeuksia oppimisessa. Suomenkielistä kirjallisuutta on ollut niukasti, tieto on ollut hajallaan eri teoksissa ja se on osittain myös vanhentunutta. Teknologiateollisuus ry:ssä toimivassa Lämpökäsittelyn toimialaryhmässä esitettiin ajatus suomenkielisen, ajan tasalla olevan lämpökäsittelytietouden kokoamisesta yksiin kansiin. Lämpökäsittelyopin toivotaan toimivan niin opiskelijoiden hakuteoksena kuin myös teollisuuden suunnittelu- ja tuotantotehtävissä toimivien henkilöiden jokapäiväisenä työkaluna. Kirjassa esitetään lämpökäsittelyiden metalliopillisia perusteita, eri lämpökäsittelymenetelmiä, kuumennus- ja suojakaasutekniikkaa, lämpötilan mittausta ja säätöä sekä lämpökäsittelyn laatuun liittyviä asioita. Kirja painottuu terästen lämpökäsittelyihin, mutta myös muiden metallien lämpökäsittelyitä esitellään. Kirjan sisällön kokoamisesta on vastannut professori Seppo Kivivuori Teknillisen korkeakoulun Materiaalien muokkauksen ja lämpökäsittelyn laboratoriosta. Seppo Härkönen Imatra Steeliltä on vastannut pääosin luvun 11 ja osittain myös lukujen 4, 6, 10 ja 18 sisällöstä. Lämpökäsittelyn toimialaryhmän hallitus osallistui aktiivisesti kirjan sisällön tarkastamiseen ja muokkaamiseen. Kirjan laadinnassa mukana olivat: DI Kari Helander, Bodycote Lämpökäsittely Oy DI Seppo Härkönen, Imatra Steel Oy Ab DI Matti Johansson, Componenta Oyj Prof. Seppo Kivivuori, Teknillinen korkeakoulu DI Antti Piensoho, Stén & Co Oy Ab TkT Juhani Uitti, Imatra Steel Oy Ab DI Fredrik Wikström, Sarlin Oy Ab Sarlin Furnaces DI Jouko Virta, VTT Tuotteet ja tuotanto DI Antti Karppinen, Teknologiateollisuus ry DI Mika Vartiainen, Teknologiateollisuus ry Lämmin kiitos mukana olleille panoksestanne kirjan laadinnassa. Helsingissä heinäkuussa 2004 Lämpökäsittelyn toimialaryhmä Teknologiateollisuus ry

3 Sisällysluettelo 1 Lämpökäsittelyn perusteet Metallien rakenne Hilaviat Metalliseosten tasapainopiirrokset Rauta-hiili -tasapainopiirros Kriittiset lämpötilarajat Metallien lujuus ja sitkeys Faasimuutokset Liuoslujitus Erkautuslujitus Raekoon vaikutus sitkeyteen ja lujuuteen Austeniitin muodostuminen ja hajaantuminen Austenitoituminen Austeniitin hajaantuminen Perliitin muodostuminen ja rakenne Martensiitin muodostuminen ja rakenne Bainiitin muodostuminen ja rakenne S-käyrät Hehkutukset Kuumamuokkaus Diffuusiohehkutus Normalisointi Pehmeäksihehkutus Austeniitin ja perliitin hajaantuminen sferoidiitiksi Palloutusmenetelmät Isotermiset hehkutukset Isoterminen perliittihehkutus Patentointi Myöstöhehkutus Rekristallisaatiohehkutus Vedynpoistohehkutus Karkaisu ja karkenevuus Kappaleiden kuumennus karkaisulämpötilaan Sammutus Sammutusväliaineet Päästö Kappaleen mittamuutokset karkaisussa Etappi- ja bainiittikarkaisu Etappikarkaisu Bainiittikarkaisu Karkenevuus Karkenevuuden mittaaminen Jominykoe Lämmönsiirto karkaisussa Lämmönsiirtokertoimen määrittäminen

4 5 Työkaluterästen karkaisu Työkaluteräkset Kylmätyöteräkset Kuumatyöteräkset Pikateräkset Normalisointi Pehmeäksihehkutus Myöstöhehkutus Työkaluterästen karkaisu Karkaisuhehkutus Sammutus Päästö Mittamuutokset karkaisussa Kappaleeseen karkaisussa syntyviä jännityksiä Mittamuutosten vähentäminen Kutistumattomat teräkset Pikateräksen karkaisu Kuumennus Karkaisuhehkutus Sammutus Päästö Bainiittikarkaisu Erkautuskarkaisu Maraging-terästen karkaisu Superseokset Työkaluteräksille suositeltavia kovuusarvoja Nuorrutus Päästöhauraus Alempi päästöhauraus Ylempi päästöhauraus Päästöhaurauden ehkäiseminen Nuorrutusteräkset Jominypiirroksen käyttö nuorrutusteräksen valinnassa Muita nuorrutusterästen valintaan ja käsittelyyn liittyviä näkökohtia Sälemartensiittiset nuorrutusteräkset Booriteräkset Kaksifaasiteräkset Kaksifaasiteräksen valmistus Jatkuvan jäähtymisen S-käyrä Ferriittis-martensiittisesta rakenteesta poikkeavat teräkset Kemiallinen koostumus Ominaisuudet Muovattavuus Kaksifaasiteräksen käyttö Mikrorakenne

5 8 Pintakäsittely- ja pinnoitusmenetelmät Kuluminen ja tribologia Hertzin kosketusjännitykset Adhesiivinen kitka Pintakarkaisumenetelmät Induktiokarkaisu Laserpintakarkaisu Hiiletyskarkaisu Typetys Booraus Pinnoitusmenetelmät Elektrolyyttiset pinnoitukset Kaasufaasipinnoitus Timanttipinnoitteet ja timantinkaltaiset pinnoitteet Pinnoitteiden sovelluskohteita Uunien kuumentaminen ja suojakaasuatmosfäärit Uunien kuumennusmenetelmät Palaminen Lämmönsiirto uuneissa Uuniatmosfäärin haitalliset ilmiöt Terästen pinnan hapettuminen Hiilenkato Vetysairaus ja -hauraus Erilaiset uuniatmosfäärit Endokaasut Eksokaasut Inertit suojakaasut Muut uuniatmosfäärit Hiiletysatmosfäärit Typetysatmosfäärit Uuniatmosfäärien mittaus- ja säätö Hiiletyskarkaisu Hiiletys Karkaisu ja päästö Hiiletysmenetelmät Hiiletyskarkaistun kappaleen ominaisuudet Pinnan ja sisustan ominaisuudet Hiiletyskarkaisukerroksen syvyys Mitta- ja muodonmuutokset Hiiletysteräkset Hiilipotentiaalin mittaus ja säätö kaasuhiiletyksessä Happipotentiaalin mittaus Pinnan hiilipitoisuuden määräytyminen Ylihiiletys-tasaushiiletys Panostus kaasuhiiletyksessä Kaasuhiiletysuunit

6 11 Typetys Typetysmenetelmät Typetetyn pinnan rakenne ja ominaisuudet Typetettyjen kappaleiden ominaisuudet Typetysprosessin ohjaus ja säätö Typetysteräkset Yhteenveto ja johtopäätökset Alipainekäsittelyt ja kaasusammutus Alipainekarkaisu Tyhjöliittäminen Alipainehiiletys Kaasusammutus Kaasusammutuksen teoriaa Kaasun valinta Kaasusammutuksella varustetut alipaineuunit Erilaisia laitteistoratkaisuja Kaasun kierrätys ja jäähdytys Kaasun virtaus ja uunityypit Ohutlevyteräkset ja niiden lämpökäsittelyt Muovattavat teräkset Välisijavapaat teräkset Lujat teräkset HSLA-teräkset Kontrolloitu valssaus Lämpölujittuva teräs Valssauskovat ja toivutushehkutetut teräkset Erikoislujat teräkset Kaksifaasiteräkset TRIP-teräkset Valurautojen ja valuterästen lämpökäsittelyt Suomugrafiittivalurauta Tylppägrafiittivalurauta Pallografiittivalurauta Pallografiittivaluraudan lämpökäsittelyt Pallografiittivaluraudan nuorrutus Bainiittinen ja ausferriittinen pallografiittivalurauta Ylä- ja alabainiitti Jäännösausteniitti Austemperointi Valkoinen valurauta Tempervalurauta Seostetut valuteräkset

7 15 Ruostumattomien terästen lämpökäsittelyt Herkistyminen ja raerajakorroosio Austeniittiset ruostumattomat teräkset Austeniittisten ruostumattomien terästen peruslämpökäsittelyt Työstökarkeneminen Ferriittiset ruostumattomat teräkset Martensiittiset ruostumattomat teräkset Ruostumattomien terästen erikoislämpökäsittelyt Hiiletyspintakarkaisu Matalan lämpötilan hiiletys Alumiinien ja kuparien lämpökäsittelyt Alumiini ja alumiiniseokset xxx-sarja xxx-sarja xxx-sarja xxx-sarja xxx-sarja xxx-sarja xxx-sarja Alumiiniseosten lämpökäsittelyt Erkautuskarkaisu Kuparin ja kupariseosten lämpökäsittelyt Pehmennyshehkutus ja jännitystenpoistohehkutus Kupariseosten erkautuskarkaisu Uuniatmosfääri Lämpötilan mittaus ja säätö Sähköinen lämpötilan mittaus Termoelementit Termoelementtimittauksen rajoituksia Lämpötila-antureiden mittausnopeus eli toistoaika Optinen lämpötilan mittaus Säteilypyrometrit Osittaissäteilypyrometrit Kokonaissäteilypyrometrit Suhdepyrometrit Pyrometrimittausten rajoituksia Infrapuna-lämpömittari Lämpötilan mittauksessa huomioon otettavia seikkoja Mittauslaitteiden tarkistus Termoelementin tarkistus Pyrometrien tarkistus Lämpötilan säätö On/ei-säätö PID-säätö

8 18 Lämpökäsittelyn laatu Lämpökäsittelyn laatu Laatujärjestelmä Laatujohtaminen Laadun varmistus Laadunohjaus Laadun valvonta ja tarkastus Vastuu laadusta Materiaalin vastaanotto Lämpökäsittelyn laatusuunnitelma Lämpökäsittelyprosessin aikainen laadunvalvonta Uunin lämpötila, lämmön tasaisuus ja pitoaika Uunissa tapahtuvat mahdollisesti haitalliset kemialliset reaktiot Jäähtymislämpötila ja -aika Lämpökäsittelyprosessien tietokoneavusteinen ohjaus Jäähdytys Lämpökäsittelyn jälkeiset tarkastukset Metallografiset tarkastukset Aineenkoetus ja tarkastukset Karkenemissyvyyden määrittäminen Induktiokarkaisu Typetys Hiiletyskarkaisu Lämpökäsittelyyn liittyvä standardisointi SFS-standardit Eurooppalainen standardisointi Yleisstandardit Testaus Turvallisuusstandardit Vahvistetut eurooppalaiset standardit Hakemisto