1 Teräkset Kon-67.3110 kurssi Tekn. tri Kari Blomster LÄMPÖKÄSITTELY HEHKUTUKSET 24.3.2015 Seosaineiden mikrosuotautuminen teräksen valmistuksessa Teräksen valmistuksessa sulan teräksen valu tapahtuu joko perinteisesti kokillivaluna tai jatkuvavaluna. Jv-valettuna teräksen saanti on korkeampi ja saadun teelmän mitat lähellä valssauksen vaatimaa lähtömittaa, joten menetelmällä on taloudellista etua verrattuna kokillivaluna tuotettuun valanteeseen. Sulassa tilassa raffinoinnin tuloksena syntyvä teräs on melko homogeenista seosaineiden jakautumista ajatellen, mutta teräksen jähmettyessä tapahtuu sula/kiinteä puuroalueella korkeassa lämpötilassa seosaineiden jakaantumista. Jäännössulaan rikastuu seosaineita enemmän kuin uunista sulasta otetussa näytteessä oli. Ilmiö tunnetaan seosaineiden mikrosuotautumisena ja tavallisista seosaineista suotautujia ovat kromi, nikkeli, mangaani ja molybdeeni, jotka korostavat teräkseen jähmettymisen yhteydessä muodostuvaa dendriittirakennetta. Seosaineiden tasaamiseksi valannetta ja teelmää voidaan hehkuttaa korkeassa lämpötilassa, suorittaa aihioille diffuusiohehkutus. Tavallisin menetelmä on kuitenkin kuumamuokkaus, takominen tai valssaus ja sen yhteydessä noin 1150 C suoritettu hehkutus. Teräksen ominaisuuksien tasaaminen ja dendriittirakenteen hävittämiseen tähtäävä kuumamuokkaus. Hehkutus eli pehmeäksihehkutus (A) Hehkutuslämpötilat valitaan suhteessa teräksen A1:n sijaintiin, kuva 1.
Kuva 1. Fe-C tasapainopiirrokseen on rasteroitu hehkutusmenetelmien kentät. Seostamattomille ja niukkaseosteisille teräksille pehmeäksihehkutuksen pääsääntö on: Hehkutus (ensin osittainen austenointi) tulee tehdä 50 C A1:n yläpuolella ja sitten austeniitin hajottaminen 50 C A1:n alapuolella. Runsaasti seostetuissa teräksissä joudutaan varomaan A1:n ylittämistä, jottei jäähtymisessä austeniitti transformoidu martensiitiksi ja kovuus käsittelyn tuloksena nouse. Hehkutusten muuttujat ovat lämpötila ja aika, ja edelleen hehkutuslämpötilan ja teräksen koostumuksen määrittelemänä mikrorakenne. Hehkutus vaatii usein paljon aikaa. Hehkutuksessa tapahtuu atomitasolla hiilen lyhyen matkan diffusiota, perliitin karbidilamellit palloutuvat ja jakautuvat useiksi palloiksi. Lämpötilan hitaasti laskiessa ohi A1:n austeniitti hajaantuu ferriitiksi ja karbidi erkautuu olemassa olevien karbidien pinnalle. 2
3 Hehkutuksessa valssaus- tai takomistilassa olevan teräksen kovuus laskee ja teräs on helpommin lastuttavaa hehkutuksen jälkeen. Tavallisesti hehkutus tehdään hiili- ja niukkaseosteisille teräksille valssauksen tai takomisen jälkeen, kuvat 2a ja 2b. Kuva 2a. Hehkutuskäytännön vaikutus työkalun kulumiseen ja lastuamisjälkeen. SAE 5160: 0,56-0,64%C, 0,75-1,00%Mn, 0,15-0,35% Si, 0,70-0,90%Cr,<0,035%P ja <0,040%S. Hehkutus 815-871 C kovuus maks. 223 HB. Kuva 2b. Pehmeäksi hehkutettu työkaluteräs Orvar : X40 CrMoV 5 1. Suurennus 550X. Käsittely: kuumennus pinta suojattuna 850 C:seen, josta jäähdytys 10 C/h 650 C:seen. Tämän jälkeen tapahtuu jäähtyminen vapaasti ilmassa. Tavallinen pehmeäksihehkutus Hehkutus aloitetaan kuumentamalla teräs noin 30 C A1:n yläpuolelle, jossa lämpötilassa pitoa useita tunteja. Jäähdytetään hitaasti, noin 10 C/h ohi A1:n esim. 700 C:n, josta vapaasti huoneenlämpötilaan, kuva 3 käyrä 1. Käsittelyn kesto on melko pitkä, lähes 10 h ja ylikin. Menetelmää on helppo soveltaa tavallisissa kammio-/vaunuarinauuneissa, joissa on hehkutusohjelman lämpötilan säätöä varten ns. ohjelmasäädin. Uunissa ei yleensä ole eikä käytetä suojakaasua, koska tuotteet ovat kuumamuokkauksen jäljiltä jo pinnastaan hapettuneita ja hiilenkatokerros on niissä jo olemassa.
4 Kuva 3. 42CrMo4 teräksen tavanomainen pehmeäksihehkutus (1) ja isotermiset hehkutus vaihtoehdot 2 ja 3. Isoterminen pehmeäksihehkutus Pehmeäksihehkutus voidaan tehdä edellistä tapaa nopeammin isotermistä hehkutusta A1:n alapuolella soveltaen. Tällöin kuumennus tapahtuu kuumentamalla teräs kahden faasin alueelle yli A1, jolloin osa rakenteesta austenoituu ja karbidit liukenevat osin austeniittiin. Jäähdytys tapahtuu edellisestä tavasta poiketen nopeasti A1:n alapuolelle, jossa valitussa lämpötilassa, esim. 710 C, annetaan austeniitin hajaantua vakiolämpötilassa=isotermisesti loppuun, kuva 3 käyrät 2 ja 3. Austeniitissa liuenneena ollut hiili erkautuu olemassa olevien karbidien pinnalle ja ne kasvavat suuremmiksi.
5 Hajaantumislämpötilan valinnassa käytetään hyväksi teräksen isotermisen jäähtymisen S- käyrästöä, jolloin tarvittava isoterminen hehkutusaika on ehkä vain 2 h, kuva 4. Käsittelyn jälkeisellä jäähtymistavalla huoneenlämpötilaan ei ole enää mikrorakenteen lopputuloksen kannalta merkitystä. Kuva 4. Nuorrutusteräksen 34Cr4 isotermisen S-käyrän käyttö hehkutuksen suunnittelussa. Menetelmän käyttäminen vaatii yleensä jatkuvatoimisen uunin, jossa on useita kuumennus- ja jäähdytysvyöhykkeitä. Tällaisia uuneja käytetään mm. autoteollisuuden osavalmistuksessa suursarjatuotannossa. Hehkutus parasta lastuttavuutta varten Lastuamisen kannalta eräissä teräksissä kuten hiiletyskarkaisuteräksissä (C% 0,10-0,25) on ongelmaksi muodostunut usein toimitustilan liiallinen pehmeys. Erityisen vaikea on tilanne lastuamisessa nykyisin paljon käytettyjen ns. ultrapuhtaiden hiiletysterästen kohdalla, joissa rikki- ja fosforipitoisuudet ovat reilusti alle 0,010 %. Teräkset ovat hyvin isotrooppisia ja kuonapuhtaita eikä niissä ole juuri lastun katkaisua auttavia sulkeumia. Terästoimittaja ja asiakas saattavat hiiletysteräksissä sopia toimitustilan rakenteeksi parhaan lastuttavuuden. Vaihtoehtoja on periaatteessa kolme: +A = pehmeäksi hehkutettu, hehkutuslämpötila 650-700 C, hidas jäähtyminen
6 +TH= hehkutettu sovittuun kovuushaarukkaan, 850-950 C isoterminen hajoaminen 620-650 C:ssa, kovuushaarukka esim. 179-229 HB +FP= hehkutettu ferriittis-perliittiseksi ja sovittuun kovuushaarukkaan, 900-1000 C isoterminen hajoaminen 620-650 C:ssa, kovuushaarukka esim. 186-235 HB. Nimikkeiden +TH ja +FP:n takana oleva lämpökäsittely on läheistä sukua edellisessä kohdassa käsitellylle isotermiselle hehkutukselle; lämpökäsittely on vastaavanlainen, mutta tuloksena on alkuperäistä rakennetta kovempi tuote, jossa lastun katkeaminen koneistuksessa sujuu paremmin. Menetelmässä valssaus- tai takomistilassa olevat hiiletysterästuotteet kuumennetaan hiiletyslämpötilaa hieman korkeampaan lämpötilaan, esim. 960 C:een, jolloin rakenne austenoituu kokonaan ja liukeneminen tapahtuu. Pitoaika on suhteellisen pitkä, useita tunteja. Hehkutusta seuraa nopea jäähdytys A1:n alapuolelle noin 630-650 C:een, jossa austeniitin hajaantuminen tapahtuu isotermisesti. Pitoaika on melko lyhyt 2-4h. Tämän menetelmän tarkoituksena on tuottaa rakenteeseen mahdollisimman paljon karkealamellista perliittiä ferriitin rinnalle, ei siis palloutunutta karbidia. Perliitin osuus rakenteessa tulee nopean jäähdytyksen ja isotermisen hajaantumisen tuloksena suuremmaksi kuin tasapainopiirros tälle hiilipitoisuudelle osoittaa ja tuloksena syntyvän karkealamellisen perliitin lastuttavuus on kohtuullisen hyvä. Jännityksenpoistohehkutus eli myöstö Hehkutuslämpötila ja aika valitaan Larsson-Miller diagrammin perusteella, kuva 5. Mikrorakenteessa ei hehkutuksen vaikutuksesta valomikroskoopissa näkyviä muutoksia.
Kuva 5. Jäännösjännitystaso riippuu hehkutusajasta ja lämpötilasta hehkutuksen jälkeen. 7
8 Jäännösjännityksiä syntyy teräsrakenteisiin monesta syystä; hitsauksen, koneistuksen, valmistuksen eri vaiheiden, kuten kuumentamisen, jäähdyttämisen, oikomisen, kylmämuovauksen jne seurauksena. Tavallisesti myöstö tehdään lämpötila-alueella 550-650 C, jossa pitoaika 1-10 h; se soveltuu ferriittis-perliittisille rakenneteräksille, hiiletysteräksille ja nuorrutetuille teräksille niiden jäännösjännitysten alentamiseksi tai poistamiseksi. Nuorrutusteräksissä on myöstöhehkutuslämpötila valittava vähintään 25 C alle nuorrutuksen päästölämpötilan, jottei teräksessä tapahdu pysyvää lujuus arvojen laskua hehkutuksen seurauksena. Termomekaanisesti valssattujen rakenneterästen kohdalla saattaa niin ikään tapahtua lujuusarvojen pysyvää laskua. Tästä syystä niiden myöstölämpötilan ylärajaksi on määritelty 580 C. Lämpökäsittelyn toteutusta valvotaan usein kappaleisiin kiinnitetyillä lämpötila-antureilla ja data rekisteröinnillä. Rekisteröimällä kappaleesta myöstö hehkutuksen aikana lämpötilat voidaan aina parantaa suorituksen huolellisuutta ja laatutasoa. Vähintään on vaadittava uunin termoelementeistä plotterilla (piirturilla) rekisteröidyt, toteutuneet lämpötila-aikakäyrät. Hehkutuksessa lämpötilan vaikutuksesta teräksen myötöraja korkeassa lämpötilassa laskee, jolloin jäännösjännitykset relaksoituvat tietyn pitoajan kuluessa. Myötörajan laskeminen tarkoittaa dislokaatioruuhkien purkautumista termisen aktivaation avustamana ja sen seurauksena dislokaatioiden liukumista, mahdollisia palautumattomia mittamuutoksia ja vetelyjä. Hehkutuksen aikana kappaleesta tulee vähitellen jännityksetön, jos pitoaika- lämpötilayhdistelmä on siten valittu. Jännityksettömän kappaleen jäähdyttäminen hehkutuksen loputtua on suoritettava varoen, jottei uusia lämpötilaeroista johtuvia jännityksiä pääse syntymään. Myötörajahan on jäähtymisen alussa hyvin matala. Tavallisesti jäähdytetään 500 C:een uunin mukana tai uuniohjauksella. Jännityksettömän kappaleen valmistuksessa jäähdytystä on jatkettava aina 300 C:een asti ohjatusti. Normalisointi Teräksessä on mahdollisuus kiderakenteen uusimiseen kahdella tavalla. Normalisointi tarkoittaa teräksen kiderakenteen uudelleen syntymistä austeniittialueella ja ominaisuuksien palauttamista uutta kiderakennetta vastaavaksi siihen kuuluvan ilmajäähdytyksen tuloksena, kuva 6. Rakenneteräkset, koneteräkset, teräsvalut ovat tavallisesti alieutektoidisia teräksiä, joille normalisointia tehdään. Normalisoinnin tarve voi tulla valmistuksen takia; rakenteellisten hitsausten, kuumamuokkauksen, kylmämuokkauksen tai jähmettymisen tuloksena on tapahtunut raerakenteessa muutoksia, yleensä raekoon kasvua, jotka vaativat normalisointia ominaisuuksien palauttamiseksi tai parantamiseksi. Normalisointi käsittää kuumennuksen austeniittialueelle, A3+50 C ja sitä seuraavan jäähdyttämisen vapaasti ilmassa tai ilmavirrassa. Hehkutuskäsittelyn tavoitteena on aina ferriittis-perliittinen, hienorakeinen teräs, jossa erityistä huomiota kiinnitetään ferriitin jakaantumiseen rakenteessa.
Kuva 6. Normalisointi vaikuttaa 0,5 % C:n hiiliteräksen kiderakenteeseen. 9
10 Erityisesti silloin, kun teräsrakenteiden seinämävahvuudet ovat suuret, ilmajäähdytystä nopeutetaan, jotta rakenteen lujuusominaisuudet parantuvat. Jäähtymisnopeuden kasvulla ferriitin jakaantuminen mikrorakenteessa hienontuu ja samalla lujuusominaisuudet kuten murtolujuus, myötöraja nousevat ja samanaikaisesti sitkeysominaisuudet kuten venymä ja iskusitkeys niin ikään paranevat, iskusitkeyden muutos lämpötila, FATT, laskee alempaan lämpötilaan. Normalisoinnin jälkeen suoritetaan joskus myös myöstöhehkutus, jolloin puhutaan täyspäästöstä. Myöstöön on tarvetta, jos arvioidaan kappaleeseen jääneen sisäisiä jännityksiä tai arvellaan normalisoinnissa mahdollisesti syntyneen martensiittia, Nauharakenteen poistamiseksi teräksestä joskus suoritetaan normalisointi kahdesti; ensin korkeasta austenointilämpötilasta, jossa austeniitti liuottaa kaikki seosaineet ja toisen kerran matalasta lämpötilasta läheltä A3, jolloin hienonnetaan raekoko ja vaikutetaan edullisesti muodostuvan ferriitin jakaantumiseen rakenteessa. Muut hehkutusmenetelmät Vedynpoistohehkutus Valmistusprosessista saattaa jäädä vetyä liikaa kappaleisiin, jolloin on suoritettava vedynpoistokäsittely. Vetyä voi teräkseen tulla liikaa esim. sulatuksesta, peittauksesta, lämpökäsittelystä tai pintakäsittelystä. Vedyn määrän ylittäessä 3,5 ppm ja kovuuden ylittäessä 350 HB teräksessä, vedyllä on vaarallinen merkitys vetyhaurauden aiheuttajana martensiittisessa rakenteessa. Teräkseen liuennut vety atomi on myös usein ellei aina, syypää karkaisuhalkeamien syntyyn martensiitin vetojännitystilassa, staattisen väsymisen vuoksi. Vety poistuu teräksestä vähitellen huoneilmaan noin 100 päivän kuluessa. Tärkeä vedyn poistohehkutus tehdään samanaikaisesti päästön ja myöstöhehkutuksen aikana, koska vedyn poistuminen tapahtuu nopeimmin noin 700 C:ssa. Kuitenkin jo 100 C:ssa tapahtuu merkittävää vedyn poistumista teräksestä. Rekristallisaatiohehkutus Voimakkaan kylmämuokkauksen jälkeen teräksen kiderakenne uusiutuu rekristallisaation kautta, kun lämpötilaa nostetaan kuitenkin alle A1:n. Rekristallisaatio on toinen tapa uusia teräksen kide- ja atomirakenne, vrt. normalisointi. Kylmämuokkauksessa teräkseen sitoutuu suuri määrä muokkausenergiaa; muokkausenergia on dislokaatioruuhkina ja pieninä kidevirheinä jakautuneena muokattuun rakenteeseen, jonka tunnistaa valomikroskoopissakin pitkänomaisista, muokkaussuunnassa venyneistä rakeista. Kylmämuokkauksen aikana muokattavan teräksen myötö- ja murtoraja nousevat, venymä ja kurouma pienenevät ja kovuus nousee. Rekristallisaatiohehkutus suoritetaan isotermisesti lämpötila-alueella 630 C- 680 C eli siis hiukan myöstöhehkutusalueen yläpuolella. Rekristallisaation aika- ja lämpötilayhdistelmät valitaan usein kokemusperäisesti pitoaika noin 0,5-1,5 tuntia, jossa rekristallisaatio ehtii tapahtua; uunit ovat suojakaasuuuneja, koska kylmamuokatun pinnan tulee säilyä hapettumatta, sileänä
11 ja kirkkaana. Hehkutus tehdään usein kylmämuokkauksen välihehkutuksena ennen lopullisia kylmämuokkausmittoja. Esim. ohutlevyn (C%=0,06) valmistuksessa suoritetaan prosessihehkutuksen nimellä tunnettu rekristallisaatiohehkutus vetysuojakaasussa, hitsauslangan vedon päätteeksi suoritetaan hehkutus keloina tyhjöuuneissa. Erkautushehkutus Eräiden seostettujen nuorrutusterästen, kuten esim. SAE 3140 (0,4%C, 0,8%Mn, 1,25%Ni, 0,6%Cr) nuorrutus tapahtuu normaalisti austenoimalla 900 C:ssa ja sammuttamalla sekä nuorrutuspäästöllä 1 h 675 C:ssa, jonka jälkeen jäähdytetään huoneenlämpötilaan upottamalla veteen. Tulokseksi saadaan hyvät, mekaaniset lujuusominaisuudet nuorrutusteräkselle ja päästömartensiittisen rakenteen iskusitkeyden muutoslämpötila on -60 C. Joskus saatetaan tarkoituksellisesti suorittaa tämän tyyppiselle nuorrutusteräkselle toinen päästöhehkutus edellistä alemmassa lämpötilassa 500 C:ssa pitkän aikaa, noin 100 h. Tällöin on kysymyksessä erkautushehkutus, jonka tuloksena teräksen mekaaniset arvot eivät juuri muutu paitsi iskusitkeyden muutoslämpötila, jonka mainitun käsittelyn jälkeen nousee +10...+20 C:n tasolle. Tässä tapauksessa hehkutuksessa käytetään tarkoituksellisesti hyväksi päästöhaurausilmiötä, jota yleisesti nuorrutusteräksissä pyritään välttämään. Varsinkin suurissa nuorrutusteräsosissa taipumus päästöhaurauteen on pidettävä tarkasti mielessä, koska hidas jäähtyminen päästöstä päästöhaurausalueella voi laukaista erkautumisreaktion, jonka tuloksena iskusitkeyden muutoslämpötila nousee eli siis teräs on haurasta jo käyttölämpötilassa. Austeniittisten terästen sammutushehkutus Eräille austeniittisille teräksille suoritetaan sammutushehkutus. Kysymyksessä on erkautushehkutusta edeltävän liuotusvaiheen ja vesisammutuksen käyttö lämpökäsittelynä. Uunit ovat yleensä massatuotannossa ilmauuneja ja tuotteet joudutaan vielä peittaamaan hapolla puhtaaksi hilseestä. Esim. austeniittiset 18% Mn-teräkset ovat varsin hauraita valutilassa, koska austeniitin raerajoille on hitaassa jäähdytyksessä valumuotissa erkautunut runsaasti (Fe,Mn)- karbideja. Terästuotteet saadaan sitkeiksi suorittamalla niille hehkutus 1000-1100 C:ssa ja sammuttamalla siitä veteen. Vesisammutuksella estetään nopean jäähtymisen tuloksena 500-850 C:ssa tapahtuva uudelleen erkautuminen. Aivan vastaavanlainen erkautumisilmiö tapahtuu myös austeniittisissa, ruostumattomissa 18/8 kromi-nikkeliteräksissä. Sen tuloksena teräs menettää ruostumattomuutensa hehkutettaessa 500-850 C:ssa. Erittäin tavallinen tarve suorittaa sammutushehkutus näille teräksille syntyy kylmämuokkauksen jälkeen, kun muokkausta ei voida enää jatkaa aineen muokkauslujittumisen vuoksi. Sammutushehkutuksessa yleensä 1050 C:ssa tapahtuu rekristallisaatio ja austeniittiraerakenne muodostuu uutena ehkä vähän suurempana raekokona ja sammutuksessa veteen ohitetaan vaarallisin erkautumislämpötila riittävän nopeasti.
Tuloksena on sitkeä, pehmeä ja korrosion kestävä 18/8-teräs. 12