Terästen lämpökäsittelyn perusteita Austeniitin nopea jäähtyminen Tasapainopiirroksen mukaiset faasimuutokset edellyttävät hiilen diffuusiota Austeniitin hajaantuminen nopeasti = ei tasapainon mukaisesti Hiilen diffuusio g a faasimuutoksessa g a a g a Hiiliatomi 1
Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti = nopeasti Nopeutetussa jäähdytyksessä hiilen diffuusio sementiittiin (Fe 3 C) perliitin muodostamiseksi vaikeutuu lyhyen matkan diffuusio Nopea jäähdytys alhaiseen lämpötilaan (~500 C 350 C ) tasapainorakennetta ei ehdi muodostua Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti = nopeasti (1) Perliittireaktion tilalle tulee bainiittireaktio => syntyy bainiittia 2
Bainiittireaktio Korkeissa lämpötiloissa (~ 400-500 C) syntyvää bainiittia kutsutaan nimellä yläbainiitti, (sulkabainiitti) hauraaampi Alhaisissa lämpötiloissa (~300 C), syntyvää rakennetta kutsutaan alabainiitiksi (neulasbainiitti) sitkeämpi Bainiiti on ferriitin ja sementiitin eutektoidinen seos Ferriittiin jää liuennutta hiiltä karbidina Fe 3 C 3
Alabainiitti Yläbainiitti Perliitti Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti = nopeasti (2) Kun teräs jäähdytetään nopeasti ~250 C asti, ohitetaan myös bainiitin syntyalue, diffuusio on nolla Syntyy martensiittia hiiliylikyllästeinen ferriitti hyvin hauras 4
Austeniitti Hidas jäähdytys Nopea jäähdytys Ferriitti Martensiitti Rautaatomit Hiiliatomi Fe C g - 2,06 % C a - 0,02 % Loput C Fe 3 C = sementiitti C Fe C Martensiittireaktio Hiilipitoisuuksilla alle 0,6 % muodostuu nk. sälemartensiittia Hiilipitoisuuksilla yli 0,6 % muodostuu nk. kaksostunutta martensiittia 5
Kovuus HV Kovuus HRC Martensiitti Kovin ja haurain teräksen rakenteista Kovuus kasvaa lähes lineaarisesti hiilipitoisuuden mukana n. 0.7 %:iin asti Hiilipitoisuus Austeniitin nopea jäähdytys Tuloksena Bainiitti Ei lamellarinen seos ferriitiä and sementiitiä lyhyen matkan diffuusio Martensiiti Hiiliylikyllästeinen ferriitti ei diffuusiota 6
Lujuus Sitkeys Mahdolliset faasimuutokset Austeniitti Hidas jäähdytys Nopeutettu jäähdytys Nopea jäähdytys Perliitti+esieutektoid. faasi (α tai Fe 3 C) Bainiitti Martensiitti Martensiitti Päästöm. Bainiitti Hienorak perliitti Karkearak perliitti Päästö Päästömartensiitti Yleisilme Jäähtymiskäyrät Martensiitti- ja bainiittireaktiot vaativat nopeaa jäähdyttämistä alhaiseen lämpötilaan Mikä on nopea jäähdytys? Mikä on alhainen lämpötila? Jäähtymiskäyrät 7
Lämpötila Jäähtymiskäyrät Jäähtymistavan ja syntyvän mikrorakenteen välinen yhteys teräskohtaisia Jatkuvan jäähtymisen käyrät (S-käyrät) Isotermiset jäähtymiskäyrät (TTT-käyrät) Ferriitti Perliitti Bainiitti Martensiitti 800 723 CCT Eutektoidinen teräs (0.8%C) M = Martensiitti P = Perliitti 600 500 400 Austeniitti 300 200 M s Hieno P Karkea P 100 M f M M + P 0.1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 t (s) 8
Lämpötila ( C) T Time- Temperature-Transformation (TTT) Curves Isoterminen hajaantuminen 800 723 600 500 400 Eutektoidinen lämpötila Austenite Eutektoidinen teräs (0.8%C) Pearlite Coarse Fine Pearlite + Bainite Bainite 300 200 M s Austenite 100 M f Martensite 0.1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 t (s) Jatkuva jäähtyminen Austenointi lämpötila 860 o C Sekuntia Minuuttia Tuntia 9
Terästen lämpökäsittelyistä Terästen lämpökäsittelyt Sarja peräkkäisiä lämmityksiä ja jäähdytyksiä Halutaan muuttaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia, (mm. kovuus, lujuus, sitkeys) jotka ovat riippuvaisia mikorakenteesta 10
Terästen lämpökäsittelyt Kymmeniä erilaisia muuttujina lämpötila, pitoaika, ympäröivä väliaine, jäähdytysnopeus (kuumennusnopeus) riippuvat haluttavasta lopputuloksesta ja käsiteltävästä teräksestä Lämpökäsittelymenetelmiä Hehkutusmenetelmät mm. Normalisointi Pehmeäksi hehkutus Jännitystenpoistohehkutus Karkaisumenetelmät Termomekaaniset menetelmät 11
Hehkutuslämpötiloja 900 800 700 600 500 P ä ä s t ö A 3 Austeniitti + Ferriitti A 1 Jännitysten poisto Ferriitti + Perliitti Austeniitti Pehmeäksihehkutus A cm Austeniitti + Sementiitti 723 Sementiitti + Perliitti 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Austeniitin nopea jäähdytys Tuloksena Bainiitti Ei lamellarinen seos ferriitiä and sementiitiä lyhyen matkan diffuusio Martensiiti Hiiliylikyllästeinen ferriitti ei diffuusiota Yhteinen nimitys KARKAISU 12
Jäähdytysteho Karkaisu Kovuuden ja murtolujuuden nostaminen Hehkutus ~ A 3 + 20 150 C Korkeampi lämpötila raekoko kasvaa Pitoaika riippuu massasta pitkä hehkutusaika tasakokoiset rakeet hiilenkato riskinä Karkaisu Sammutus (nopea jäähdytys) Suolavesi Vesi Oljy Ilma Suolakylpy Al 2 O 3 hiekka Etappikarkaisu 13
Päästö Karkaisussa syntynyt martensiitti on haurasta sammutuksen on tehtävä päästö Päämääränä suuri kovuus matalan lämpötilan päästö ~200 C (Lämpötilavälillä 250-370 C riskinä on päästöhauraus) Nuorrutusteräksille tehdään korkean lämpötilan päästö, sitkeämpi 400 700 C Teräksen karkenevuus Karkenevuus Kuinka helposti saadaan aikaan martensiitia = hitaalla jäädytysnopeudella Karkenevuus kovuus 14
Karkaisu Karkaisussa materiaalin nostetaan materiaalin kovuutta Pintakarkaisumenetelmiä Liekkikarkaisu, hiiletyskarkaisu, typetys Arviointi Teräksen karkenevuus Karkenevuuskerroin hieman Si, Ni, Cu 0,4 0,9 kohtalaisesti Mo, Cr, Mn, Al, (P) 2,2 3,4 paljon V 13 erittäin paljon B 700 tiettyyn rajaan asti Mittaaminen sytyneen martensiittikerroksen paksuus JOMINYKOE 15
kovuus, HRC Kovuus, HRC Jominykoe Tasainen pinta 24 C vesi Rockwell C kovuusmittaus Etäisyys jäähdytyspäästä Jominykäyrä Jäähtymisnopeus hidastuu päädystä eteenpäin 60 40 T( C) 600 20 0 1 2 3 Etäisyys jäähdytyspäästä 0% 100% 400 200 0 M(start) M(finish) A M 0.1 1 10 100 1000 Aika (s) Chapter 11-16
Kovuus Kovuus Jominynauha Karkenevuus vs. kovuus Karkenevuus martensiitin synty Kovuus - hiilipitoisuus HRC 60 50 40 30 20 10 Seostettu teräs Seostamaton teräs HRC 60 50 40 30 20 10 0,2 Hiilipitoisuus 0,5 0,7 20 40 60 mm 80 Etäisyys jäähdytyspäästä 17
Lämpötila ( C) Karkaisun suorittaminen: Kuumentaminen (austenitoiminen) Sammuttaminen nopea jäähdytys Päästö kuumennus esim. max. + 350 C, pitoaika 2 h sitkeys kasvaa ja kovuus laskee Nuorruttaminen Päästäminen korkeassa lämpötilassa (+ 400 + 700 C), vaihtoehto päästölle Esimerkki 1: Halutaan martensiittinen mikrorakenne Eutektoidinen teräs Hehkutus 760 C kokonaan austeniittiseksi Jäähdytys Nopeasti 250 C:een Pitoaika10 2 sekuntia Jäähdytys huoneenlämpöt Austeniitti, 100% Martensiittia, 100% Aika (s) 18
Lämpötila ( C) Lämpötila ( C) Esimerkki 2: Halutaan bainiittinen mikrorakenne Eutektoidinen teräs Hehkutus 760 C kokonaan austeniittiseksi Jäähdytys Nopeasti 350 C:een Pitoaika10 4 sekuntia Jäähdytys huoneenlämpötilaan Bainiittia, 100% Aika (s) Esimerkki 3: Halutaan mikrorakenteeksi Perliittis-bainiittinen Austeniitia, Eutektoidinen teräs Hehkutus 760 C kokonaan austeniittiseksi Jäähdytys Nopeasti 650 C:een Pitoaika 20 sekuntia Nopeasti 400 C:een Pitoaika 10 3 sekuntia Jäähdytys huoneenlämpöt Noin 50% perliittiä, 50% austeniittia Bainiitia, 50% 50% Bainiittia, 50% Perliittiä Aika (s) 19
Lämpötila ( C) Lämpötila ( C) Perinteinen karkaisu ja päästö Pinta Päästö haluttuun kovuuteen Keskiosa M s Muutosalue M f Aika (s) Etappikarkaisu Pinta Päästö haluttuun kovuuteen Keskiosa M s Muutosalue M f Aika (s) 20
Lämpötila ( C) Bainiittikarkaisu Pinta Yläbainiitti päästö? Keskiosa M s Muutosalue M f Aika (s) Termomekaaniset menetelmät 21
Lämpötila C Normalisointi Normalisointilämpötila~ A 3 + 20 50 C Austeniitti Ferriitti Perliitti Hiilipitoisuus Karakeine n Hienorakeine n 22
Eutektoidinen teräs (0.8% C) Mikrorakenne Kovuus (HRC) Murtolujuus (MPa) Karkea perliitti 16 700 Hieno pearlite 30 950 Bainiitti 45 1450 Martensiitti 65 - Päästömartensiitti (250 o C) 55 1900 23