Kon-67.3110 Teräkset Harjoituskierros 7. Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikan tutkimusryhmä Koneenrakennustekniikka
Hammaspyörät Suunnittelustandardit Euroopassa esimerkiksi: ISO 6336-1 5 Calculation of load capacity of spur and helical gears Part 1: Basic principles, introduction and general influence factors Part 2: Calculation of surface durability (pitting) Part 3: Calculation of tooth bending strength Part 5: Strength and quality of materials Part 6: Calculation of service life under variable load USA: vastaavat AGMA standardit AGMA = American Gear Manufacturing Association
Hammaspyörien mitoitus Sallittu pintapaine: σ HP = σ Hlim Z NT S Hlim Z L Z V Z R Z W Z X Jossa σ Hlim on sallittu jännitys (huomioi lämpökäsittelyn ja materiaalin), S Hlim on varmuuskerroin ja Z n ovat kertoimia pinnanlaadulle, voitelulle, nopeudelle, jne. Sallittu taivutusjännitys: σ FP = σ Flim Y ST Y NT S Flim Y δrelt Y RrelT Y XR Jossa σ Flim on sallittu jännitys (huomioi lämpökäsittelyn ja materiaalin), S Flim on varmuuskerroin ja Y n ovat kertoimia hampaanmuodolle, loviluvulle, pinnanlaadulle ja koolle, jne.
Sallittu jännitys σ H_lim (pintapaine) Läpikarkaistu Induktio- tai liekkikarkaistu Hiiletyskarkaistu
Sallittu jännitys σ F_lim (taivutusjännitys) Läpikarkaistu Induktio- tai liekkikarkaistu Hiiletyskarkaistu
Hiiletyskarkaisu Hankala tavoite: 1. Väsymisen ja kulumisen kesto 2. Kova ja luja, kulutusta kestävä pinta. 3. Sitkeä sisus Pitää saavuttaa yhdellä käsittelyllä.
Teräksen pinnan hiilettäminen
Teräksen pinnan hiilettäminen
Teräksen pinnan hiilettäminen
Tehtävä 1. Lasketaan hiilen diffuusioon vaadittava aika Fickin 2. lain avulla: C t D 2 C 2 x Asettamalla sopivat reunaehdot, yhtälöstä voidaan ratkaista etäisyyttä vastaava konsentraatio tietyllä hetkellä. Ratkaisua varten tehdään seuraavat oletukset: teräksen alkuperäinen hiilipitoisuus C 0 x kasvaa pinnasta kohti keskiakselia alkutilanteen aika t=0 hiiletysatmosfäärin hiilipitoisuus on tasaisesti C S Yhtälölle saadaan reunaehdot: C=C 0 kun t=0 ja 0 x C=C s kun t>0 ja x = 0 C=C 0 kun x =
Tehtävä 1. Kyseisillä reunaehdoilla yhtälö saa muodon: C C x S C C 0 0 1 erf jossa virhefunktioon: 2 x Dt, erf z z 2 e 0 n 2 dn on sijoitettu z Lasketaan ensin diffuusiovakio D hiilelle austeniitissa, kun D 0 on 2,3x10-5 m 2 /s, diffuusion aktivaatioenergia Q D on 148 kj/mol, T = 1223 K ja kaasuvakio on 8,31 J/mol - K x 2 Dt Qd 5 2 148kJ mol D 11 2 D0 exp 2,3 10 m s exp 1.09 10 m RT 8,31J mol K 1223K s
9,6 h 4,4 h
Hiilipitoisuus (%) Tehtävä 1. 1,4 1,2 1 1,3 %C (4 h) 0,8 Skemaattinen profiili tasauksen jälkeen 0,8 %C (17 h) 0,6 0,4 0,2 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Etäisyys pinnasta (mm)
Rajakovuus 550 HV ~0,3 0,4 %C
Teräksen pinnan hiilettäminen - mikrorakenteet
Tehtävä 2. Teräksen pinta koostuu martensiitista. Martensiitin seassa saattaa olla, etenkin korkeilla hiilipitoisuuksilla jäännösausteniittia. Martensiitin hiilipitoisuus on pinnassa 0,6 %C. Pintakerros on hiiletystä seuranneen diffuusiohehkutuksen jälkeen varsin tasainen. Rajakovuutta (550 HV) vastaava hiilipitoisuus on noin 0,4 %C, joten martensiitin hiilipitoisuus laskee kohti perusaineen hiilipitoisuutta.
Tehtävä 2. Pinnassa mikrorakenne on siis martensiittia, jonka hiilipitoisuus laskee kohti perusaineen hiilipitoisuutta syvyyden funktiona. Syvemmällä rakenteessa martensiitin seassa alkaa esiintyä bainiittia. Bainiitin osuus rakenteessa kasvaa edettäessä syvemmälle rakenteeseen. Keskustaan on muodostunut bainiitin sekaan ferriittiä ja perliittiä.
Tehtävä 2. Matalahiilisillä teräksillä 50/50 martensiittis-bainiittinen rakenne vastaa noin 360 HV (n. 36 HRC). kovuutta. 20CrMn5
Tehtävä 2. Käyttökohteessa ei sallittu lainkaan ferriittis-perliittistä rakennetta. Usein hiiletyskarkaistavassa kappaleessa vaaditaan keskiakselille vähintään 50%:sti martensiittista rakennetta, jossa ei saa olla lainkaan ferriittiä tai perliittiä. Matalahiilinen martensiittis-bainiittinen rakenne muuttuu hiiletyskarkaisua seuraavassa matalan lämpötilan päästössä (150-200 C) sitkeäksi sisustaksi. Ferriittis-perliittinen sisusta romahduttaisi materiaalin väsymisominaisuuksia esim. hammaspyörissä.
Päästö Lopuksi päästö matalassa lämpötilassa 185 225 oc. Liian korkea päästölämpötila laskee martensiittipinnan kovuutta ja poistaa edullisen jännitystilan => ei toivottua Sisäosan matalahiilisyys vaikuttaa siihen, ettei siitä tule liian kovaa/lujaa.
Suojakaasut lämpökäsittelyssä
Muita pintakarkaisuja: -Typetys -Induktiokarkaisu -Liekkikarkaisu
Tehtävä 3. Arvio oheisen Fe-N tasapainopiirroksen avulla, mitä tapahtuu seosteräkselle (esimerkiksi 42CrMo4), kun uuniin johdetaan 550 C lämpötilassa ammoniakkia (NH 3 ). Miten tilanne muuttuu, jos teräs olisi seostamaton hiiliteräs?
Typetyskarkaisu
Tehtävä 3. Teräksen pinnassa ammoniakki hajoaa vapaaksi typeksi: 2NH H 3 2N 3 Typpi diffuntoituu teräkseen ja muodostaa raudan kanssa g (Fe 4 N) ja e-nitridejä (Fe 2 N ja Fe 3 N). Pintaa muodostuu ohut (n. 20-25 mm), erittäin kova ja kulutusta kestävä pinta. Kovan pinnan alla diffuusiokerros (n. 1 mm), joka koostuu koherenteista M-nitrideistä (M=kromi, molybdeeni, alumiini ja vanadiini). Seostamattomilla teräksillä vaarana on päästöhauraus. Pitkän hehkutusajan vuoksi teräkset ovat yleensä seostettuja, jolloin päästöhaurausriski pienenee. 2
Arvioi oheisen jatkuvan kuumennuksen piirroksen avulla, miten lämpökäsittely poikkeaa normaalista austenitointihehkutuksesta, kun C45E teräksen pintakerros halutaan karkaista induktiokuumennuksella. Tehtävä 4.
Induktiokuumennuksella kappaleen pinta voidaan karkaista hyvin nopeasti. Teräksen pintaan syntyy pyörrevirtoja, joiden vaihtelusta materiaali kuumenee. Karkaistavan materiaalin tulee olla magneettista. Saavutetaan hyvin suuria kuumennusnopeuksia (satoja C/s) nopea menetelmä. Austenitointipiirroksesta havaitaan, että faasimuutosten rajat siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin, kun kuumennusnopeus kasvaa. Esimerkiksi homogeeninen austeniittirakenne syntyy 1 K/s kuumennusnopeudella n. 850 C:ssa. Vastaavasti 500 K/s nopeudella austeniittirakenne syntyy 1050 C:ssa. Tehtävä 4.
Austenitoitumisen nopeus eri mikrorakenteilla
Austenitoitumisen kulku ja vaikutus teräksen ominaisuuksiin
Pintakarkaisumenetelmät - induktiokarkaisu
Pintakarkaisumenetelmät - induktiokarkaisu
Pintakarkaisumenetelmät - induktiokarkaisu
Pintakarkaisumenetelmät - induktiokarkaisu
Pintakarkaisumenetelmät - liekkikarkaisu
Ensi kerralla Seuraava (ja viimeinen) viikkoharjoitus pidetään 18.4.2016 Aiheena rosterit eli ruostumattomat teräkset