Luento 1 Kon-67.3110 Teräkset DI Timo Kiesi Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Aalto-yliopisto
Miksi oma kurssi teräksille?
Teräsintro Teräksen valmistus ja terästuotteita
Mitä on teräs?
Rauta Alkuaine 26 Fe (latin: ferrum) Tiheys 7,874 g/cm 3 Sulamispiste 1538 C Kiehumispiste: 2862 C Ferromagneettinen
Rauta Rautaa esiintyy hyvin yleisesti maankuoressa. Yleensä oksideiksi sitoutuneena Maankuoren 4. yleisin alkuaine Noin 5 %. Rauta pelkistyy hiilen avulla Tekniikka keksittiin 2500 vuotta sitten! Yleisimmät raudan valmistuksen malmit hematiitti (Fe 2 O 3 ) ja magnetiitti (Fe 3 O 4 )
Rauta (meltorauta) Huoneenlämpötilassa ferriittinen (TKK) rakenne Käytännön seoksissa raerajasementiittiä vähäisessä määrin Matala lujuus Helposti muovattavissa Ei sovellu konstruktiokäyttöön Syväveto Magneettinen Puhtaalla raudalla vähän käyttökohteita. Täysin puhtaan raudan valmistaminen hankalaa.
Tilakeskeinen kuutiollinen (TKK) Body-Centered Cubic (BCC)
Puhtaan raudan rakenne on 1-faasinen α-rauta eli ferriitti (TKK-hila)
Pintakeskeinen kuutiollinen (PKK) Face-Centered Cubic (FCC)
PKK TKK a-mitta 2,8R 2,3R V C 22,6R 3 12,3 R 3 APF 0,74 0,68
Teräs Raudan ja hiilen seos Näiden lisäksi teräksessä on aina: Seosaineita Valmistusta varten tarvittavat Lujuuden nostamiseksi tarvittavat Karkenevuuden nostamiseksi tarvittavat Ruostumattomuuden parantamiseksi tarvittavat Epäpuhtauksia
Hiilen liukoisuus Fe-rakenteeseen Ferriitin ja austeniitin välillä on merkittävä ero kyvyssä liuottaa hiiltä. Ferriitti liottaa hyvin vähän hiiltä Austeniitti liuottaa paljon hiiltä =>Hiilen diffuusionopeus ferriitissä on kuitenkin suuri. =>Hiili kykenee liikkumaan ferriitissä diffuusion avulla ja pyrkii muodostamaan oman faasirakenteensa.
Fe-Fe 3 C -järjestelmä Eutektoidinen Kiderakennemuutos TKK/PKK Teräksen jäähtyessä austeniittialueelta syntyy jäähtymisnopeuden mukaisia alirakenteita. Nämä rakenteet määräävät teräksen mekaaniset ominaisuudet Rakennemuutoksiin voidaan vaikuttaa seostuksella ja jäähtymisnopeudella.
Terästen jako eri lajeihin
Teräs vs. valurauta Teräs = Raudan ja hiilen seos alle ~2 % C
Terästen luokittelu Teräksien lajittelu voi perustua: seostukseen mikrorakenteeseen (ferriittinen, austeniittinen, ) valmistusmenetelmään viimeistelyyn (kuuma- tai kylmävalssaus) tuotteen tyyppiin (nauha, tanko, putki, levy) hapenpoistomenetelmään (tiivistetty, puolitiivistetty) vaadittuun standardoituun lujuustasoon lämpökäsittelyyn (hehkutettu, nuorrutettu, ) laatumäärittelyyn (valmistustapakohtaiset kriteerit)
Teräkset Seostamattomat eli hiiliteräkset: Seosaineina C, Si, Mn Epäpuhtauksina S, P Seostetut teräkset: Seosaineina C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, W, Co, V, 1. Niukkaseosteiset teräkset Seosaineita alle 5 % 2. Runsasseosteiset teräkset Seosaineita yli 5 %
Seosaineet teräksessä Käytetään, jotta saavutettaisiin haluttu lujuus, sitkeys, ruostumattomuus jne... Tyypillisiä: C, Mn, Si, Cr, Ni, Mo, Cu,... Tulevat teräkseen joko valmistuksessa teräsromusta tai ne on erikseen lisättävä.
Seosaineet teräksessä Kuva: Hitsaustekniikan materiaalioppi, SHY ry
Terästen valintakriteerit Valintakriteerin määrä käyttökohde: lujuusominaisuudet sitkeys hinta korroosio-ominaisuudet hitsattavuus korkean tai matalan lämpötilan ominaisuudet Nämä ominaisuudet saavutetaan seostuksen ja lämpökäsittelyiden avulla.
Terästen luokittelu Rakenneteräkset Työkaluteräkset Ruostumattomat teräkset Terästen jako ryhmiin Kuva: Hitsaustekniikan materiaalioppi, SHY ry
Yleiset rakenneteräkset Yleensä matalahko hiilipitoisuus melko sitkeitä hitsattavuus yleensä hyvä (riippuu seosaineiden määrästä) rakennusten kantavat rakenteet, sillat, nosturit, kuljetusvälineet, mastot, säiliöt, jne Matalahiilinen teräs on pehmeää Lujuus riippuu hiilen määrästä Hiilen lisääminen nostaa lujuutta Samalla sitkeys ja hitsattavuus heikkenevät Lujuutta voidaan lisätä myös seostuksella: Mn Al, Ti - raekoon pienentäminen => hienoraeteräs Nb, V - mikroseostettu teräs (ts. hyvin pieni seostus) B (karkenevuus) Lämpökäsittelyt
Kuva: Hitsaustekniikan materiaalioppi, SHY ry
Levyterästyyppejä Kuumavalssatut levyt 4-155 mm, muovattava ja hitsattava Laivojen rungot, säiliöt. Kylmävalssatut teräsnauhat 1,8-16 mm, lujia, hitsattavia. Kantavat palkit kuljetusvälineissä ja nostureissa. Kylmävalssattu ohutlevy Tarkat paksuustoleranssit, hyvä pinnanlaatu Hyvin muovattavaa, hitsattavia mutta pehmenee muutosvyöhykkeeltä. Esim. auton korit, jääkaapit, pesukoneet. Metallipinnoitettu levy Kuuma- tai kylmävalssattu levy, jossa esim. sinkitty pinnoite Tiski- ja pesukoneiden kuoret, autojen korit, äänenvaimentimet, kattopellit Muovipinnoitettu ohutlevy Valssattu levy, jossa polymeeripinnoite Rakennusteollisuus
Painelaiteteräkset Korkea sisäinen paine: Kaasupullot, painesäiliöt, höyrykattilat, vakuumisäiliöt, kuumavesi- ja höyryputkistot Toimintalämpötilat -50...+700 ºC Teräkseltä vaaditaan lujuutta, kuumalujuutta ja sitkeyttä sekä hitsattavuutta nämä tulee varmistaa tavanomaisia teräslaatuja huolellisemmin Painelaiteteräksiä valmistetaan seostamattomina niukkaseosteisina ruostumattomina Painelaitemateriaaleja koskee tiukat määräykset PED (painelaitedirektiivi) 29.5.2002 alkaen ydinteknisille painelaitteille omat erityisvaatimuksensa Ydinenergialaki ja -asetukset sekä YVL-ohjeet (STUK)
Koneteräkset %C 0,25-0,60 Koostumus ja mikrorakenne säädetty niin, että teräkset ovat hyvin taottavia ja koneistettavia Hitsattavuus rajoitettu Käyttö: akselit. ruuvit, mutterit, nostokoukut...
Nuorrutusteräkset %C = 0,25-0,45 Muu seostus: Cr, Ni, Mo (parantavat karkenevuutta) Mitä enemmän seosaineita, sitä syvempään aihio karkenee Nuorrutuskäsittely: austenitointihehkutus (n. 800-850 ºC) + nopea jäähdytys + päästöhehkutus (550-675 ºC) Sammutus usein öljyyn (vesi voi aiheuttaa repeämiä) Rakenteeksi tulee päästömartensiittia == hyvä lujuus - sitkeys -yhdistelmä Käyttöalue: akselit hammaspyörät kiertokanget, männänvarret Hitsaus vaativaa mutta joskus mahdollista (esikuumennus + jälkihehkutus)
Jousiteräkset Nuorrutettuja Cr-, V- ja Mo-seostettuja teräksiä Nuorrutusteräksiä korkeammat seostusasteet Hyvin korkea lujuus saavutetaan lämpökäsittelemällä. Käyttö erilaisissa jousissa, pianolankana
Hiiletyskarkaistut teräkset Niukkahiilisempiä kuin nuorrutusteräkset %C = n. 0,2 % + n. 1% Cr, Ni ja Mo Kappaleen pinnan hiilipitoisuutta nostetaan ennen karkaisua Tunteja kestävä hehkutus kaasuatmosfäärissä (kaasuhiiletys) C diffuntoituu teräksen pintaosiin Tätä seuraa karkaisu ja päästö matalassa lämpötilassa pinta kova ja kulutusta kestävä, sisus sitkeä pintaan syntyy puristusjännitys, joka parantaa väsymiskestävyyttä Käyttö mm. hammaspyörät ja -akselit, työkalunpitimet, kampiakselit,...
Työkaluteräkset Yleisnimitys työkaluissa käytettävistä teräksistä C = 0,6 1,2 % eli korkeampi kuin rakenneteräksissä Muu seostus: Cr, Mo, W, V muodostavat C:n kanssa kulutusta kestäviä karbideja Toimitetaan hehkutettuina ja karkaistaan ennen käyttöä Käyttö: porat, jyrsimet, sorvin terät, kierretapit jne... Myös pikateräkset kuuluvat työkaluterästen ryhmään Korkeampi Cr-, Mo-, W-, Co- ja V-seostus Hyvä kulumiskestävyys ja kuumalujuus Käyttö lastuavan työstön työkaluissa
Automaattiteräkset S- ja Pb-seostus lastuttavuuden parantamiseksi, matala %C lastu katkeaa helposti hyvä työstöpinnan laatu voidaan työstää suurilla leikkuunopeuksilla Tarkoitettu suursarjatuotanto-osille lastuaminen joustavissa FM-järjestelmissä esim: ruuvit, mutterit, aluslevyt, nipat ja akselit
Ruostumattomat teräkset (RST) Cr-seostuksella (Cr > 12 %) saadaan teräksen pintaan suojaava passivaatiokalvo, joka hidastaa korroosiota Mut seosaineet: Ni, Mo, Mn, Si, N, (Mn) RST-lajeja on monentyyppisiä: Austeniittinen ruostumaton teräs (yleisin) esim. 18 %Cr 8 %Ni %C mahdollisimman matala (AISI 304L < 0,03 %) hyvin hitsattava Ferriittinen ruostumaton teräs (ei %Ni) Martensiittinen ruotumaton teräs (korkeampi %C) Duplex ruostumaton teräs (austeniitti + ferriitti) Käyttö hyvin laajaa tiskipöydät, ruokailuvälineet, veitset/sakset, pesukoneiden rummut, prosessi/elintarviketeollisuuden putkistot, höyry- ja vesiturbiinien osat...
Teräksen ja aihioiden valmistus
Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Raahe Imatra Tornio Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Teräksen valmistus masuunissa Masuuni: rautamalmista raakaraudaksi Konvertterikäsittely: raakaraudasta terässulatteeksi Sulakäsittelyt Jatkuvavalu teräaihioiksi Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Teräksen valmistus romusta Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Mellotus eli hiilipitoisuuden laskeminen Raakarauta jalostetaan teräkseksi LD-konvertterissa Hiilipitoisuutta lasketaan happipuhalluksella Happi liukenee sulaan teräkseen ja poistuu sulasta CO-kaasuna Erittäin matalan hiilipitoisuuden (ruostumattomat) kohdalla AOD, VAOD Argon- tai vakuumihappipuhallus Jähmettyneeseen teräkseen jäänyt happi aiheuttaa huokosia lisäksi jää sulkeumia (C, S, P) Teräksen happi- ja rikkipitoisuus alennetaan happipuhalluksen jälkeen injektointilaitteistossa tai vakuumikäsittelynä
Sulankäsittelyt Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Teräksen epäpuhtaudet Teräs pyritään valmistamaan niin, että siinä on mahdollisimman vähän epäpuhtauksia = oksideja ja sulfideja Lisäksi voidaan tehdä vakuumikäsittely, jolloin terässulasta poistetään typpi- ja vetykaasuja Sulaan voidaan puhaltaa Ar-kaasua + hienojakoista pulveria nopea ja tehokas rikinpoisto tämä voidaan yhdistää deoksidointiin
Teräksen epäpuhtaudet Teräksen epäpuhtauksia ovat mm. S, P, N sekä kuonasulkeumat S peräsin koksista tai romuraudasta S sidotaan sulatteessa Mn-seostuksella (min. 0,4 %Mn), muodostuu MnS Yleensä %S < 0,025 %, nykyisin jopa alle 0,005 % P tulee rautamalmista tai romusta. Haurastuttaa teräksen P poistetaan kalkkipitoisella kuonalla yleensä %P < 0,025 %, nykyisin alle 0,010 % N siirtyy teräkseen valmistuksen aikana (valokaariuuni) mm. ilmasta Typpi haurastuttaa teräksen ja aiheuttaa myötövanhenemista N sidotaan Al:lla, V:lla ja Ti:lla nitrideiksi
Teräksen epäpuhtaudet N (jatkuu)... Pieni määrä typpeä on kuitenkin eduksi mikrorakenteen hienojakoisuuden kannalta ydintää halutun mikrorakenteen jäähtymisen yhteydessä Ruostumattomassa teräksessä typpi on hyödyllinen seosaine lisää lujuutta ja parantaa korroosionkestävyyttä
Kuonanauhoja teräksessä Epäpuhtaudet ilmenevät teräksen kuonaisuutena (kuonasulkeumina) Esim. MnS muovautuu valssauksessa pitkiksi tasomaisiksi sulkeumiksi, mikä aiheuttaa anisotrooppisuutta Levy voi murtua sulkeumia pitkin levyn paksuussuunnassa ns. lamellirepeämä Sulkeumakäsittelyjä Sulkeumien muotokontrolli (Ce tai Ca -seostus) Kuva: Hitsaustekniikan materiaalioppi, SHY ry
Kuonasulkeumia teräksessä Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Teräksen tiivistäminen Eli ylimääräisen hapen poisto (eli deoksidointi) Si sitoo hapen SiO 2 :ksi Lisäksi voidaan tiivistää Al:lla, joka sitoo O ja N Tiivistyksen reaktiotuotteet nousevat kuonaan, osa jää teräkseen sulkeumiksi eli kuonapartikkeleiksi (oksideja, sulfideja) Tiivistetty teräs puolitiivistetty - ei huokosia tiivistetty - happea rajoitettu edelleen kaksoistiivistetty (Si+Al) - myös N-pitoisuus matalampi, laadultaan parasta.
Tiivistämätön ja tiivistetty teräs (kokilli) Imuontelo poistetaan Tiivistämätön (Si < 0.01 %) ja tiivistetty (Si 0.15 %) teräs
Nousuvalu kokilliin Teräs valetaan kokilleihin ali eli korkeisiin valurautamuotteihin Valua seuraa jähmettyminen kiteet (dendriitit) ydintyvät valun ulkopinnalta ja kasvavat keskustaan kokillin keskellä sulavirtauksia - - ns. makrosuotautuminen teräs kutistuu jähmettyessään - - syntyy imuontelo kaasut kuplivat sulasta ulos, koska jähmettynyt teräs ei liuota kaasuja teräkseen jää myös kaasukuplia Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Jatkuvavalu Korvannut kokillivalun Parempi tuotos, ei imuonteloa, tiivistetty rakenne. Koko sulatuserän valu, josta katkaistaan aihiot valssaukseen Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Valuaihion muokkaus Kuumavalssaus: 800-1100 C Rikotaan jähmettymisessä syntynyt karkea ja dendriittinen mikrorakenne Pienentynyt raekoko, joka syntyy rekristallisaatiossa Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Aihion jatkokäsittelyt Takominen
Kuumavalssaus Kuumavalssaus suoritetaan korkeassa lämpötilassa (~1100 C), jossa teräs rekristallisoituu jatkuvasti muokkauksen aikana aikaisempi raerakenne uudistuu dynaamisesti raekoko pienenee, joka johtaa yleensä lujuuden kasvamiseen valssauksen jälkeinen jäähdyttäminen vaikuttaa mikrorakenteeseen Rekristallisoitumisen vuoksi muokkaamista vastustava voima jää pieneksi Teräsharkot voidaan valssata levyiksi, jolloin muokkausaste on suuri Pinnanlaatu jää yleensä heikoksi. Valssausta ja jäähdytystä ohjaamalla voidaan teräksen ominaisuuksia varioida laajalti ilman runsasta seostusta.
Tangot, profiilit ja langat Tankoteräkset U- ja I-profiilit Rautatiekiskot Muoto valssataan kyseinen muodon antavilla valsseilla Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Nauhan kuumavalssaus Levyä kapeampi nauha, kelataan valssauksen jälkeen keloille ( coils ) Lämpö- ja pintakäsittely voidaan liittää prosessiin Teräslevyt puhdistetaan hilseestä peittaamalla Kuva: Teräskirja, Metallinjalostajat ry
Kylmävalssaus Suoritetaan sulamispisteen suhteen matalassa lämpötilassa Materiaali muokkauslujittuu valssauksen aikana muokkausasteet kuumavalssausta pienempiä valssausvoimat suurempia lujuus kasvaa voimakkaasti, sitkeys laskee Kylmävalssauksen mittatoleranssit ja pinnanlaatu ovat kuumavalssausta parempia Yleensä kylmävalssausta seuraa hehkutus pyritään parantamaan sitkeyttä ja laskemaan lujuutta muovattavuus paranee pinnanlaatu jää kuitenkin hyväksi mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat voimakkaasti raerakenteen suuntautuneisuuden vuoksi Kylmävalssatut teräkset ovat yleensä ohutlevytuotteita
Kylmävalssatun rakenteen syntyminen Kylmämuokkauksen aikana rakeet litistyvät ja venyvät Materiaali saa kylmämuokatun mikrorakenteen, joka on lujittunut voimakkaasti muokkauksessa (lujuus ja kovuus kasvavat)
Kylmävalssatun nauhan jälkikäsittely Leikkaus rainoiksi ja rullaus nauharulliksi Karkaisu mahdollinen tietyillä nauhoilla Hehkutus, sammutus, päästö Viimeistelykäsittelyt Viimeistelyvalssaus, hehkutus, peittaus, pinnoitus, korroosiosuojaus Tarkastus
Mitä aihion valmistuksen jälkeen? Aihion jälkeen alkaa matka itse terästuotteeksi Ketjuun voi kuulua: Leikkaamista, Taivuttamista, Työstämistä, Lämpökäsittelyjä, Liittämistä, Pintakäsittelyjä, Tarkastusta,
Teräs terästehtaalta Teräksen mikrorakennetta ja mekaanisia ominaisuuksia voidaan muokata myöhemmässä vaiheessa, mutta Teräksen koostumus määräytyy aihion valmistuksessa. Jälkikäteen lähes mahdoton muuttaa kemiallista koostumusta Ainoa teollinen sovellus hiiletyskarkaisu Myös epäpuhtaustaso määräytyy valmistusprosessissa
Seuraavalla kerralla: -Rauta-hiili -tasapainopiirros -Perliitti -Mn-seostuksen vaikutus hiiliteräkseen