I. Lämpökäsittely Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto Kuva 284. Lämpökäsittelyhehkutus tapahtunut, uunin ovi aukaistu I.1 Miksi? Valukappaleita lämpökäsitellään seuraavista syistä: poistetaan ei-toivottuja mikrorakenteita jotta rakenne homogenisoitusi lämpökäsittely yleensä parantaa aineen ominaisuuksia vaaditut standardin mukaiset materiaaliset ominaisuudet täyttyisivät saadaan toivottu rakenne asiakas vaatii. 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 1
I.2 Lämpökäsittelymenetelmiä Erilaisille materiaaleille suoritetaan lämpökäsittelyjä erilaisiin tarpeisiin em. syistä johtuen. Näihin tarpeisiin on käytettävissä monia käsittelymenetelmiä, jotka ovat hyvinkin materiaalikohtaisia. Yleisesti valumateriaaleista lämpökäsittelyjä tehdään kaikille valuteräksille joillekin valuraudoille kevytmetallivaluista useammille tekniseen käyttöön (alumiiniseoksille, pl. silumiinit, sekä joillekin magnesiumseoksille) sinkkiseoksille lähinnä vain haluttaessa stabiloida hiukan korotettua käyttölämpötilaa varten. Seuraavassa lämpökäsittelymenetelmiä materiaalikohtaisesti I.2.1 Yleisimpiä lämpökäsittelymenetelmiä Yleisimpiä valuterästen lämpökäsittelymenetelmiä ovat normalisointi nuorrutus karkaisu ja päästö pehmeäksi hehkutus jännityksenpoistohehkutus. Lisäksi tehdään teräkselle seuraavia lämpökäsittelyjä: hiiletyskarkaisu (yleinen lämpökäsittely, mutta ei valukappaleille) typetys erkautuskarkaisu (erityisesti sitä varten seostetuille teräslajeille) bainiittikarkaisu kaksifaasiteräs (martensiittia ja ferriitti, varsin luja teräs) alikrittinen karkaisu austeniitti + ferriittialueelta, jolloin tuloksena austeniittinen ja duplex - ruostumaton teräs liuotushehkutus ja sammutus tai nopeutettu jäähdytys (esim. mangaaniteräkset). 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 2
I.2.2 Yleisimmät valurautojen lämpökäsittelyt Jännitysten poistohehkutus ferritointi, ferriperlitointi ja perlitointi (lähinnä pallografiittiraudoille); näistä pyritään eroon tavoittelemalla suoraan valusta haluttua mikrorakennetta ns. valutilaisena as-cast -tilassa) pehmeäksihehkutus nuorrutus austemperointi (pallografiittiraudalle) liekki- ja induktiokarkaisu. I.2.4 Kevytmetallivalujen lämpökäsittely Homogenisointi eli tasaushehkutus pehmeäksihehkutus jännitystenpoistohehkutus stabilointihehkutus erkautuskarkaisu. I.3 Valuterästen lämpökäsittely Lämpökäsittely on yhdistelmä kuumennus- ja jäähdytysvaiheita, joiden tarkoituksena on antaa sille tietyt ominaisuudet. Metallien, esim. terästen (raudan, hiilen ja muita seosaineiden), ominaisuuksia voidaan muuttaa asetettujen vaatimusten mukaisesti Esim. terästen lämpökäsiteltävyys perustuu rakenteessa tapahtuviin allotrooppisiin (mikrorakenne ja faasien) eli kiderakenne muutoksiin kuumennuksen ja erityisesti jäähdytyksen tarkalla säädöllä. Hehkutusmenetelmillä parannetaan muiden käsittelyjen yhteydessä muodostuneita epäedullisia ja ei-toivottuja raerakenteita ja jännitystiloja tai tuotetaan myöhempien lämpökäsittelyjen edellyttämä lähtötila. Hehkutusmenetelmissä kappale kuumennetaan hehkutuskäsittelyn vaatimaan käsittelylämpötilaan ennalta määrätyksi ajaksi, jonka jälkeen kappale jäähdytetään hallitusti. Kuva 285. Hehkutusmenetelmien lämpötila/aikaohjelmat 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 3
http://www.valuatlas.net - ValuAtlas & Tampereen ammattiopisto - Jälkikäsittelytekniikka Hehkutusmenetelmissä ensisijaisena tarkoituksena ei ole kiderakenteen muuttaminen, vaan rakenteen tasaaminen, raekoon tai seosaineiden liuottaminen tasaisesti jakautuneeksi tai epätoivottujen faasien liuottaminen (siis homogenisointi, normalisointi, pehmeneminen tms.). Kuva 286. Rauta-hiiliolotilapiirros Karkaisumenetelmien tavoitteena on vaikuttaa lujuuteen ja muihin ominaisuuksiin, jotka eivät ole saavutettavissa hehkutusmenetelmillä. Karkaisumenetelmien seurauksena esimerkiksi teräksen kiderakenne muuttuu. Hehkutusmenetelmät eroavat karkaisumenetelmistä siten, että hehkutuksen jälkeen valukappaleet ovat tasarakenteisempia, pehmeämpiä ja/tai ne ovat helpommin koneistettavia. Kuva 287. Pintakarkaisumenetelmien lämpötila/aikaohjelmat Hiilipitoisuuden perusteella teräkset voidaan jakaa niukkahiilisiin, keskihiilisiin ja runsashiilisiin teräksiin. Hiilipitoisuus vaikuttaa hitsattavuuteen. Teräsvalukappaleita voidaan korjata hitsaamalla, ja tämä tuo myös lämpökäsittelytarpeita. Terästen hitsattavuus riippuu niiden hiilipitoisuudesta. Suuri karkenevuus ja korkea hiilipitoisuus tekevät yleensä hitsaamisesta vaativamman ja hitsattavan kappaleen vaurioitumisen todennäköisemmäksi. 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 4
Niukkahiiliset teräkset (0,05 0,25 % C) ovat hyvin hitsattavia, kun hiilipitoisuus on alle 0,25 % ohuilla kappaleilla ja paksuilla alle 0,2 %. Hyvä hitsattavuus on halvan hinnan ohella edellytys teräksen yleiskäyttöisyydelle. Siksi seostamattomia niukkahiilisiä teräksiä valmistetaankin yli puolet kaikista valuteräksistä. Niukkahiilisiä teräksiä käytetään yleensä normalisoituina. Keskihiiliset teräkset (0,25 0,60 % C) sopivat nuorrutettaviksi, koska karkaisussa ja nuorrutuksessa tapahtuva lujittuminen ja kovuuden kasvu nimenomaan edellyttävät riittävää hiilipitoisuutta. Kun terästen hiilipitoisuus nousee keskihiilisten terästen alueen alarajalta 0,25 % C sen ylärajalle 0,60 % C, lisääntyy taipumus halkeiluun valussa ja hitsauksessa. Kuumahalkeilun osalta tämä johtuu mm. puuroalueen leventymisestä 40 ºC:sta 80 ºC:een. Kylmähalkeilun (eli vetyhalkeilun) osalta tämä on seurausta karkenevuuden ja martensiitin kovuuden kasvusta. Runsashiilisiä teräksiä (0,60 2,10 % C) käytetään karkaistuina työkaluteräksinä. Valuteräksinä runsashiilisiä teräksiä esiintyy kulumiskestävyyttä vaativissa kappaleissa. Näiden terästen puuroalue on laaja ja taipumus kuumarepeämiin suuri. Lisäksi ne ovat valun jälkeen hauraita ja vaikeita käsitellä. I.3.1 Austenointi Austenointi suoritetaan aina karkaisussa, nuorrutuksessa ja normalisoinnissa. Kuitenkin austenointikäsittely voidaan tehdä teräkselle omana lämpökäsittelytapahtumanaan. Suoritus: Teräksen kuumentaminen lämpötilaan, jossa sen rakenne on kokonaan tai osittain austeniittista (materiaalista riippuen n. 1000 C ). Alieutektoidiset teräkset 25-60 C A3:n yläpuolella Ylieutektoidiset teräkset 60 C A1:n yläpuolella (Yllämainitut seokset austeniittia ja sementiittiä) Kuva 288. Austeniittinen seostamaton teräs, taonnan jälkeen austenoitu 1050 C, sammutettu veteen 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 5
I.3.2 Normalisointi Terästen tapauksessa normalisoinnilla tarkoitetaan mikrorakenteen ja erityisesti raerakenteen tasaamista ja hienontamista. Normalisointi onkin varsin yleinen lämpökäsittely. Niukkahiilisiä ja - seosteisia teräksiä käytetään yleensä juuri normalisoituina. Valun jälkeen teräskappaleen kiderakenne voi olla epätasainen ja rakeet suuria. Tämä alentaa sitkeyttä ja tekee teräksestä tarpeettoman hauraan. Normalisointi on lämpökäsittely, jolla valunjälkeinen suuri ja epäsäännöllinen raekoko saadaan pienemmäksi ja säännölliseksi. Myös suurehkojen hitsausten jälkeen on syytä suorittaa normalisointi. Normalisointi parantaa teräksen lujuus- ja sitkeysominaisuuksia. Normalisoinnin jälkeen on teräksille yleensä suoritettava myöstöhehkutus. Normalisointi edeltää usein karkaisua (nopeuttaa austenitoitumista ja homogenisoi austeniittista rakennetta). Rakenne kuumennetaan austeniittiselle kiderakennealueelle. Kuva 289. Normalointiprosessi 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 6
http://www.valuatlas.net - ValuAtlas & Tampereen ammattiopisto - Jälkikäsittelytekniikka Normalisoinnin tarkoituksena on sitkeyden lisääminen ja mekaanisten ominaisuuksien tasaaminen hienontamalla ja tasaamalla raerakennetta. Tämä tapahtuu kuumentamalla teräs austeniittialueelle n. 30 50 C A3-rajan yläpuolelle. Lyhyen pitoajan (1 tunti seinämäpaksuuden yhtä tuumaa kohden) jälkeen kappaleen annetaan jäähtyä vapaasti ilmassa. Normalisoinnin tuloksena syntyy sitkeä hienojakoinen ferriittis-perliittinen rakenne. I. 3.2.1 Normalisoinnin suoritus Lujuutta heikentävät epäsäännölliset kiderakenteet, kuten pylväskiteet, voidaan hävittää alieutektoidisilla teräksillä 25 50 C A3:n yläpuolella Austeniitin rakeenkasvun vuoksi hehkutusajat eivät saa olla liian pitkiä Annetaan jäähtyä huoneenlämpötilaan, jolloin rakenteeksi tulee ferriittiä perliittipohjalle. Ylieutektoidisia * teräksiä ei yleensä normalisoida. Teräksen lämpökäsittely esim.: lastaus n. max 200 ºC, kuumennus min. 60 max. 150 ºC/h, hehkutus n. 800 ºC, hehkutusaika min. 0,5 3 h, jäähdytys ilmaan nostonopeus riippuu kappaleen koosta ja seinämän vahvuudesta jos jäähdytys nopea, saattaa tulla jännityksiä pito riittää, kun muodostunut austeniittia tai jos rakenteessa on epäpuhtauksia, ne on saatu liuotetuksi. Loppurakenne, joka on ferriittiä ja perliittiä ja joissakin tapauksissa myös bainiittia, on sitä hienorakenteisempi mitä nopeampi kuumennus ja jäähtyminen muutosalueella tapahtuvat. Kuumennettaessa on otettavaa huomioon, että myös kappaleen keskiosan on saavutettava austenoimislämpötila. Kuva 290. Mikrorakennekuva 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 7
Kuva 291. Normalointiprosessi Ferriittis-perliittisessä teräksessä ferriitin ja perliitin osuudet määräytyvät ensisijassa seostuksen (hiilipitoisuuden mukaan). Valurautojen yhteydessä ferriitin ja perliitin osuudet määräytyvät monimutkaisemmin austenitoinnin ja jäähtymisnopeuden mukaan, ja valuraudan normalisoinnilla tarkoitetaankin käytännössä nimenomaan perlitointia eli matriisin normalisointia täysin perliittiseksi. Ylieutektoidisilla teräksillä (joille tehdään harvoin normalisointia) kuumennuslämpötila on A 1 - ja A cm - rajojen välillä. Kuva 292. Ferriitti (vaalea) ja perliitti (tumma) I.3.3 Karkaisu Karkaisu- ja päästökäsittelyllä lisätään teräksen lujuutta, kovuutta ja kulumiskestävyyttä sekä optimoidaan lujuuden ja sitkeyden suhdetta. Synnytetään kova martensiittinen mikrorakenne, jonka sitkeyttä parannetaan karkaisua seuraavalla päästökäsittelyllä 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 8
Karkaisun ansiosta voidaan käyttää ohuempia rakenteita, jolloin kappaleen massa pienenee, mutta mekaaninen kestävyys pysyy samana. Karkaisussa teräs kuumennetaan austeniittialueelle (750 950 C) ja jäähdytetään nopeasti eli sammutetaan veteen, öljyyn tai ilmaan tai suojakaasuun tai tyhjössä. Nopean jäähdytyksen tuloksena teräksen kidemuoto muuttuu martensiitiksi, joka on kovaa ja haurasta. Kuva 293. Martensiittinen rakenne Kuva 294. Rautahiilitasapainopiirros Syntyneen martensiitin kovuus riippuu teräksen hiilipitoisuudesta. Sen kovuus kasvaa teräksen 0,7 %:n hiilipitoisuuteen asti. Teräksen karkenevuutta tai karkenemissyvyyttä voidaan parantaa seostuksen avulla. Voimakkaimmin teräksen karkenevuutta lisäävät boori, vanadiini, alumiini, mangaani, kromi ja molybdeeni ja erityisesti vanadiini ja niobi. (Tavallisissa seostamattomissa ja niukkaseosteisissa teräksissä karkenevuutta arvioidaan hiiliekvivalenttiluvulla, joka lasketaan teräksen koostumuksen perusteella yleisimmin seuraavasti: CE (eli CEV) = C% + Mn%/6 + (Cr% + Mo% + V%)/5 + (Cu% + Ni%)/15.) 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 9
Synnytetään martensiittinen tila austeniitin (erittäin sitkeä, alhainen lujuus ja kovuus) hajaantuminen perliitti- ja bainiittireaktiolla voidaan estää jäähdyttämällä austeniitti nopeasti lämpötilaan, jossa diffuusio (aineen siirtyminen atomien pitkän etäisyyden liikkeenä) ei ole mahdollinen. Teräksen seostuksella on voimakas merkitys myös valittaessa karkaisulämpötilaa, sammutusainetta ja päästölämpötilaa. Hehkutuslämpötilaan vaikuttaa myös oleellisesti teräksen hiilipitoisuus käytettävä lämpötila laskee hiilipitoisuuden lisääntyessä. Vaadittavaa hehkutuslämpötilaa nostavat mm. kromi, nikkeli ja molybdeeni. Perliittireaktio alkaa sementiittiytimen syntyessä austeniitin raerajalle, ja tietyn lämpötilan saavutettuaan se jatkaa kasvuaan rakeeseen. Kuva 295. Ferriittilamelli kasvaa pituutta ja leveyttä hylkien hiiltä ja synnyttäen uuden sementiittilamellin Sementtilamelli imee hiiltä ympäröivästä austeniitista, joka hiilestä köyhdyttyään helposti muuttuu ferriitiksi (kuva A). Se kasvaa pituutta ja leveyttä työntäen hiiltä ja synnyttää uuden sementiittilamellin (kuva B). Kuva 296. Sementtilamelli imee hiiltä ympäröivästä austeniitista, joka hiilestä köyhdyttyään helposti muuttuu ferriitiksi 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 10
Kuvaus: ferriitin ja sementiitin lamellinen faasiseos Ominaispiirre: suhteellisen luja ja sitkeä. Kulumiskestävämpi ja lujempi kuin ferriitti mutta ei kuin martensiitti. Liuottaa korkeissa lämpötiloissa hiiltä Tyypillinen ulkonäkö hieessä: tummahko, raidallinen Bainiittireaktio syntyy ferriittiä ja sementiittiä sisältävä rakenne (viereinen kuva) ytimenä austeniittirakeen rajalle syntynyt ferriitti ensimmäinen mekanismi: ferriitti kasvaessaan työntää hiilen austeniittiin, jolloin syntyy pieniä sementiittierkaumia yläbainiitti, teknisesti vähemmän edullinen koska erkaumat bainiittisäleiden välissä hauras toinen mekanismi: sementiitti syntyy jo muodostuneessa bainiittisäleessä, siis säleen sisään alabainiitti luja rakenne karbidisulkeumia ferriittipohjalla. Kuva 297. Ferriittiä ja sementiittiä sisältävä rakenne Kuva 298. Alabainiittirakenne karbidisulkeumia bainiittiferriitissä Bainiitti Kuvaus: Neulas- ja sulkamainen ferriittivaltainen faasiseos Ominaispiirteitä: Luja ja sitkeähkö. Suhteellisen kova ja kulumista kestävä Tyypillinen ulkonäkö hieessä: tummahko, sulka- tai neulamainen rakenne 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 11
Bainitointi: austenointihehkutus, sammutetaan n. 300 350 C:ssa olevaan suolakylpyyn I.3.4 Päästö Päästö seuraa aina tavallista karkaisua. Sammutuksen jälkeen teräs on päästettävä eli kuumennettava uudelleen joko 150 250 C:een tai korkeammalle 550 650 C:een, jonka jälkeen sen annetaan jäähtyä ilmassa huoneenlämpötilaan. Tavoite: karkaisussa syntyneiden jännitysten laukaisu ja hauraan martensiittisen rakenteen sitkeyden parantaminen kovuuden samanaikaisesti laskiessa. Päästössä martensiitin kovuus alenee, mutta sitkeys paranee merkittävästi. Päästölämpötilaa muuttamalla voidaan valita sopiva lujuuden ja sitkeyden yhdistelmä. Mitä korkeampi päästölämpötila on, sitä alhaisempi kovuus ja parempi sitkeys. Jos halutaan säilyttää karkaisussa saavutettu suuri lujuus ja siten kulumiskestävyys, päästetään teräs n. 200 C:ssa. Päästön avulla voidaan myös laskea kappaleeseen karkaisun yhteydessä syntyneitä makrojännityksiä. Kuva 399. Rauta-hiili-olotilapiirros 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 12
Työvaiheet Kuumennetaan teräs A1 rajan alapuolella. Päästön vaiheet: 80 200 C: martensiitti muuttuu tetragonisesta kuutiolliseksi, osa hiilestä poistuu hilasta ja muodostaa є-karbidia, 25 % hiilestä jää martensiittiin. Kovuus säilyy lähes muuttumattomana. 200 280 C: teräksen pehmeneminen alkaa ilman olennaisia rakennemuutoksia. 280 400 C: є-karbidi muuttuu sementiitiksi käyttäen ferriitiksi muuttuvasta martensiitista vapautuvaa hiiltä. kovuuden lasku jatkuu. I.3.4.1 Sammutusväliaineet Karkaisun jälkeen valukappale sammutetaan (jäähdytetään). Tämä täytyy suorittaa lämpökäsittelystä riippuen nopeasti tai hitaasti. Apuna käytetään väliaineita, joiden avulla sammutus suoritetaan. Tällaisia väliaineita ovat: vesi öljy polymeeri (vesi + muovi) suolasula (sulaa suolaa) kaasut. I.3.4.2 Yleistä sammutusväliaineista Vesi vanhin ja tehokas (halpa) liiankin tehokas (alussa liian vähän ja lopussa liiankin tehokas halkeilu) Öljy tasaisempi jäähtyminen (halkeilu riski) ensin hyvin, martensiittialueelle pehmeästi haittoina työhygienia ja paloturvallisuus (rajoittaa kapasiteettia). kappaleet pestävä käsittelyn jälkeen savunmuodostus ongelma öljyä ei saa päästää liian kuumaksi 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 13
ei saa pitää kappaletta pinnalla tulipalovaara on tahtiaika (kuinka paljon ja kuinka usein) Polymeeri (vesi + muovi) hyvin säädettävissä haittana huono säilyvyys tehokas bakteerialusta ja hoitamistyötä Suolasula (nestemäistä suolaa) etappikarkaisut (bainitointi) halutaan tiettyyn tarkkaan lämpötilaan ei jäähdy sen alapuolelle jos suola lämmitetään, määriteltävä C etukäteen haittana suolan myrkyllisyys Kaasut autoklaavi tyyppinen ja paras (paineastia tyyppinen, jossa väliaineena kaasu) helium huono suolan tasolla suljettu astia kaasunpaine etuna hyvä säädettävyys haittoina huono teho ja kallis laitteisto ongelmana kova paine työturvallisuusongelma. I.3.5 Nuorrutus Karkaisua ja sitä seuraavaa päästöä nimenomaan korkeassa lämpötilassa (550 700 C) sanotaan nuorrutukseksi. Nuorrutuksella saavutetaan niukkaseosteisilla teräksillä erinomaiset lujuus- ja venymäarvoyhdistelmät, eli nuorrutusteräkset ovat lujia ja sitkeitä. Nuorrutuksella tarkoitetaan lämpökäsittelyä, jossa teräs tai valurauta päästetään suhteellisen korkeissa lämpötiloissa karkaisun jälkeen. Normalisoinnin jälkeen lujuus ja sitkeysarvot paranevat Pyritään mahdollisimman hyvään lujuuden ja sitkeyden yhdistelmään. Nuorrutuksen nimenomaisena tarkoituksena on tuottaa teräskomponenttiin erinomaiset lujuusominaisuuksien ja sitkeyden yhdistelmät Nuorrutuksella ei pyritä maksimikovuuteen, kuten yleensä karkaisulla ja päästöllä. Nuorrutus on koneterästen tärkein lämpökäsittelymuoto. Sitä käytetään koneenosissa, hammaspyörissä, lujissa pulteissa ja takomuoteissa. 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 14
Karkaisu ja sitä seuraavaa päästö melko korkeassa lämpötilassa (karkaisu n. 900 C ja päästö n. 550 700). Jos halutaan kovempaa materiaalia, matalampi päästölämpötila. Tehdään etupäässä nuorrutusteräksille, mutta soveltuu myös martensiittisille ruostumattomille ja rakenneteräksille. Saadaan erittäin luja, mutta varsin sitkeä materiaali (R0,2 = 600 1000 MPa, Rm = 800 1400 MPa, A5 = 8 12 %) Suoritus: Karkaisu Nosto A3:n yli (800 900 C, nostonopeus 50 80 C) pito (mm/min) sammutus veteen jännityksiä päästö (heti sammutuksen jälkeen ja mahdollisimman nopeasti, koska voi esiintyä halkeamia jopa 1 vrk jälkeen) nosto (600 700 C), nostonopeus sama pito: tuuma ja tunti jäähdytys yleensä ilmaan. menettää lujuuttaan, kun käyttölämpötila ylittää päästölämpötilan jäämässä harmaiden valurautojen lämpökäsittelynä pois pallografiittivaluraudoilla saadaan hyvät lujuus- ja sitkeysominaisuudet pallografiittivalurautoja voidaan nuorruttaa kappaleiden tulee olla muodoltaan yksinkertaisia ja tasapaksuja (karkaisuhalkeamavaara) karkaisulämpötila n. 870 C, lyhyen pitoajan jälkeen karkaistaan öljyyn päästö 400 600 C. Nuorrutukseen käytetään keskihiilisiä (0,25 0,6 % C) seostamattomia tai niukasti seostettuja teräksiä, sillä karkenevuus ja martensiitin kovuus riippuvat hiilipitoisuudesta. Matalasta hiilipitoisuudesta on hyötyä silloin, kun halutaan välttää hiilipitoisuuden kasvaessa lisääntyvää haurautta sekä vetely- ja repeilytaipumusta karkaisun yhteydessä. Nuorrutukseen käytetään yleisesti öljyyn karkenevia teräksiä. Karkaistun teräksen kovuus säilyy vain tiettyyn lämpötilaan saakka, mikä asettaa karkaistulle komponentille käyttölämpötilarajoituksia. Seostuksen avulla terästen päästönkestävyyttä voidaan kuitenkin parantaa niin, että teräkset voidaan päästää tai niitä voidaan käyttää korkeammissa lämpötiloissa kovuuden juurikaan heikentymättä, mutta sitkeyden parantuessa. Karkaisussa kappaleen pinnan hapettuminen, hilseily ja hiilenkato on estettävä käyttämällä joko suojakaasua tai tyhjöä uunissa. Liian korkea hehkutuslämpötila tai pitoaika aiheuttaa raekokoon kasvua, jonka seurauksena teräksestä tulee haurasta. 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 15
I.3.6 Pehmeäksi hehkutus Pehmeäksi hehkutuksen tarkoitus on saada koneistusta varten materiaali pehmeämmäksi eli työstettävämmäksi. Lämpökäsittely vie tavallisesti useita tunteja 690 720 C:ssa, minkä jälkeen kappaleet saavat jäähtyä ilmassa huoneenlämpötilaan. Hehkutuksen seurauksena perliitin sementiittilamellit palloutuvat. Ylieutektoidiset ( epäpuhtauskomponentteja on enemmän kuin eutektisessa seoksessa) teräkset käsitellään hiilipitoisuuden mukaan 740 800 C:ssa 2 4 h, minkä jälkeen niiden annetaan jäähtyä uunissa 600 C:een ja sen jälkeen ilmassa huoneenlämpötilaan. Kuva 300. Alieutektoidinen, seostamaton teräs, jäähtynyt ilmassa. Rakenne ferriittiä (vaalea) ja perliittiä (tumma) Kuva 301. Ylieutektoidinen seostamaton teräs. Rakenne perliittiä ja raerajasementiittiä (valkoinen) Pehmeäksihehkutuksella alennetaan valun kovuutta ja lujuutta tavallisimmin työstön helpottamiseksi. Varsinkin yli 0,5 % hiiltä sisältävien terästen normalisoitu rakenne on melko kovaa ja siten vaikeasti työstettävää. Pehmeäksihehkutuksessa perliitin sementiittilamellit "palloutetaan". Pehmeäksihehkutus voi toimia myös lähtörakenteena karkaisua varten. Käsittelylämpötila riippuu hiilipitoisuudesta siten, että alle 0,9 % hiiltä sisältävät teräkset kuumennetaan A 1 -lämpötilan alapuolelle (690 720 C) ja yli 0,9 % hiiltä sisältävät teräkset hieman yli em. lämpötilan (740 800 C). Alle 0,9 % hiiltä sisältävien terästen hehkutusaika on 10 20 tuntia, jonka jälkeen ne jäähdytetään hitaasti huoneenlämpötilaan. Yli 0,9 % hiiltä sisältävien terästen hehkutus kestää alle 10 tuntia, jonka jälkeen niiden annetaan ensiksi jäähtyä uunin mukana n. 600 C:een ja sen jälkeen vapaasti ilmassa. I.3.7 Myöstö Myöstön tarkoitus on pienentää valukappaleen sisäisiä jännityksiä aiheuttamatta rakennemuutoksia. Myöstöllä eli jännitystenpoistohehkutuksella vähennetään valussa tai sitä 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 16
seuranneissa käsittelyissä aiheutuneita sisäisiä jännityksiä. Tällaisia jännitysten aiheuttajia ovat mm. (epähomogeenisesti tapahtuvat): jähmettymistapahtuma jäähtymistapahtuma kuumenemistapahtuma (hitsaus, hiilikaaritalttaus, polttoleikkaus ym.) muokkaus ja työstötapahtuma ym. käsittelyt. Jännitykset voivat aiheuttaa valukappaleessa poikkeamia sille vaadittuihin ominaisuuksiin suoraan tai välillisesti. Tällaisia jännityksistä aiheutuvia poikkeamia ovat mm. muodonmuutokset säröily repeämät lujuuden vähäinen laskeminen, etenkin korkeassa lämpötilassa tehtynä. Jännityksen poistohehkutuksella pyritään: metallin lämpötilaa nostamalla alentamaan myötörajaa niin, että aine pystyy plastisen muodon muutoksen avulla laukaisemaan jännityksen. Sisäiset jännitykset lisäävät hauras- ja väsymismurtuman vaaraa sekä aiheuttavat muodonmuutoksia ja vääristymistä jatkokäsittelyissä. Jännitystenpoisto voidaan tehdä eri lämpötiloissa, jolloin jännitysten laukeaminen on sitä täydellisempää, mitä korkeampi käsittelylämpötila. Materiaalin myötölujuus laskee lämpötilan noustessa, ja jos jännityksiä ei enää synny uudestaan hehkutusta seuraavan riittävän hitaan jäähtymisen aikana, jäljelle jääneiden jännitysten suuruus määräytyy suoraan käsittelylämpötilan mukaan. Pitoajalla käsittelylämpötilassa on vähäisempi merkitys. Yleensä valukappale kuumennetaan n. 500 600 C:een, jossa sitä pidetään 1 tunti seinämäpaksuuden yhtä tuumaa (25,4 mm) kohti. Tämän jälkeen kappaleiden annetaan jäähtyä uunissa tai ilmassa huoneenlämpötilaan. Tärkeää on lämpötilan tasaantuminen kappaleessa ja siis suhteellisen hidas jäähtyminen. Se on välttämätöntä uusien jäännösjännitysten välttämiseksi. Myöstö tehdään tavallisesti ilmauunissa, jolloin valukappaleet hapettuvat jossain määrin pinnaltaan. 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 17
Myöstön suoritus: Teräksen myöstö 500 600 C :ssa, noin tunti ainespaksuuden tuumaa kohti (tai 60 100 C/tunti). kappale on lämmitettävä hitaasti uunin mukana hehkutuslämpötilaan. pito 1h/tunti. hehkutuksen jälkeen kappaleen annetaan jäähtyä hitaasti uunissa 530-350 asti, josta ilmaan varo päästöhaurautta. Iskusitkeys alenee lähellä 300 C:ta. Syynä voi olla austeniitin raerajoille kertyneiden epäpuhtauksien aiheuttama sementiitin muodostus ja /tai sementiitin muodostuminen martensiitin raerajoille. I.4 Muut terästen hehkutukset I.4.1. Pintakarkaisut Pintakarkaisumenetelmät Kun kappaleelta vaaditaan pinnan suurta kovuutta, hyvää kulumis- ja pintapaineenkestävyyttä ja samanaikaisesti sitkeyttä, turvaudutaan usein pintakarkaisumenetelmiin. Tällaisia kappaleita ovat mm. hammaspyörät ja -akselit. Pintakarkaisumenetelmissä karkaisuvaikutus rajoitetaan pintakerrokseen joko siten, että vain pintakerros kuumennetaan ja sitten sammutetaan esimerkiksi vesisuihkulla, tai siten, että materiaalin karkenevuus (so. seosaine- tai hiilipitoisuus) on karkenemiseen riittävä vain kappaleen pintakerroksessa. Pintakarkaisumenetelmien etuja ovat mahdollisuus osittaiseen karkaisuun ja pienet mittamuutokset. Usein esimerkiksi väsymiskestävyyden tehokkaaseen lisäämiseen riittää, että komponentin pintakerroksessa vaikuttaa karkenemisen aiheuttama puristusjännitys, samalla kun komponentin sisäosissa halutaan säilyttää sitkeä lähtörakenne. Pintakarkaisuun käytetään lähinnä nuorrutusteräksiä, joissa hiilipitoisuus on riittävän korkea, jotta pinnasta myös tulee riittävän kova. Induktiokarkaisun etuja ovat sen nopeus, tarkka karkaisukohta ja -syvyys sekä pienet sisäiset jännitykset. Menetelmän haittoihin kuluu säröilyvaara. 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 18
I.4.1.1 Hiiletyskarkaisu Hiiletyskarkaisussa niukkahiilistä (0,1 0,25 % C) ja -seosteista terästä kuumennetaan (900 950 C) hiiltä luovuttavassa väliaineessa useita tunteja, jolloin kappaleen pintaan (n. 2 mm syvyydelle) absorboituu hiiltä. Pinnan hiilipitoisuudessa pyritään 0,8 %:iin, jotta karkaisun seurauksena pinnasta tulisi riittävän kova ja kulutusta (maksimikovuinen) kestävää. Hiiltä luovuttavia väliaineita ovat mm. hiilivedyt (propaani ja metaani). Pinnan hiilipitoisuuteen ja hiiletyskerroksen paksuuteen vaikutetaan karkaisu-uunin atmosfäärillä sekä säätämällä lämpötilaa ja pitoaikaa. Pintahiilipitoisuus vaikuttaa saavutettavaan pintakovuuteen. Liian suuri pintahiilipitoisuus alentaa pintakovuutta, koska siihen jää jäännösausteniittia. Pinnan kovuuteen vaikuttavat lisäksi teräslaji, sammutusnopeus ja päästö. Karkaisusyvyys lasketaan kappaleen pinnasta siihen etäisyyteen, missä kovuus on laskenut 550 HV (ko. kohdassa hiilipitoisuus on n. 0,3 0,4 %). I.4.1.2 Typpihiiletys Lämpökäsittelyssä lisätään hiiltä ja typpeä kaasussa tai suolakylvyssä pintakerrokseen hiiltä 0,7 % ja typpeä 0,2 0,3 %. Käsittelylämpötila 800 860 C ja aika n. tunti. Pintakerroksen paksuus 0,2 0,5 mm. Typpi parantaa karkenevuutta. Hiiliteräs voidaan karkaista öljyyn. Typpihiiletyskarkaisussa lisätään hiilen ohessa typpeä valukappaleen pintaan. Karkaisu suoritetaan joko suolakylvyssä tai kaasuhiiletysuunissa 800 860 C:een lämpötilassa. Sammutus tapahtuu joko veteen tai öljyyn. Ohuille pintakerroksille ei tehdä yleensä päästöä. Typetyslisääminen parantaa hiiliterästen karkenevuutta. Lisäksi valukappaleen pintaan syntyvät nitridiyhdisteet parantavat pinnan liukuominaisuuksia. Saavutettava pintakovuus on yleisesti yli 800 HV. I.4.1.3 Kaasuhiiletys Hiiletystä kaasuhiiletyksenä käytetään paljon, koska menetelmä on hyvin hallittavissa ja se on käyttökustannuksiltaan edullinen menetelmä (tosin laitteisto on kallis). Kappale esikuumennetaan 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 19
aluksi 400 500 C:een, jonka jälkeen se siirretään varsinaiseen hiiletysuuniin. Ennen sammutusta kappaleen lämpötila lasketaan 840 C:een lämpöjännitysten ja mittamuutosten pienentämiseksi. Sammutus tapahtuu joko veteen (seostamattomat teräkset), öljyyn (seostetut teräkset) tai suolaliuokseen. Karkaisun jälkeen kappaleelle suoritetaan normaaliin tapaan päästö noin 160 200 C:ssa pari tuntia. Hiiletyskarkaisussa syntyy kova (715 760 HV) kulutusta kestävä pintaosa sekä luja ja sitkeä sisäosa. Samalla pintaan syntyy puristusjännitys, joka parantaa kappaleen väsymislujuutta. Hiiletys voidaan suorittaa myös leijupatja-, alipaine- ja plasmahiiletyksenä. Leijupatjahiiletyksessä kappaleita pidetään kaasuatmosfäärissä alumiinioksidijauheen ympäröiminä. Kappaleet ripustetaan joko koukkuun tai koriin ja laitetaan leijupatjauunin keskelle. Leijupatjauuniin puhalletaan huokoisen pohjan kautta ilman ja hiilivedyn seosta. Kappaleet hiilettyvät nopeasti leijupatjan sekoitusvaikutuksen ansiosta. Hiiletyssyvyys jää alle 1 mm:iin. Hiiletyksen jälkeen kappaleet sammutetaan suolaliuokseen tai etappikarkaisuna leijupatjaan ja lopuksi suoritetaan päästö. Menetelmä sopii hyvin pienille kappaleille. Se on taloudellinen ja nopea menetelmä. Leijupatjauunissa suoritettavan hiiletyksen haittoihin kuuluu sen epätarkka säätö, joka aiheuttaa laatuvaihteluita. I.4.1.4 Typetys Typetys on lämpökäsittely, jossa kappaletta kuumennetaan typpeä luovuttavassa atmosfäärissä. Typetyksessä pyritään muodostamaan kappaleen pinnalle rauta- ja seosainenitridejä 0,005 0,02 mm:n, ehkä jopa 0,5 mm:n syvyydelle. Kappaletta Hehkutetaan typpeä luovuttavassa kaasussa alle 590 C lämpötilassa Typetyksessä syntyvä kerros muodostuu kahdesta eri kerroksesta: ulommasta ohuesta yhdistekerroksesta ja sisemmästä paksummasta diffuusiokerroksesta. Typetyksessä muutoksia tapahtuu ainoastaan vain aivan pinnassa. Typetyskäsittelyt suoritetaan valmiiksi koneistetuille kappaleille. Ne kohdat, joita ei haluta typettää, suojamaalataan (mikä ei kuitenkaan onnistu kylpytypetyksessä). Typetyksen etuja ovat mm. kova ja kulutusta kestävä pinta, parantunut väsymislujuus ja kiinnileikkautumistaipumuksen väheneminen. Typetettyjen kappaleiden kovuus riippuu nitridejä muodostavien seosaineiden (esim. vanadiini) pitoisuuksista teräksessä. Käytettävät lämpötilat ovat matalia, joten mittamuutokset ja lämpöjännitykset ovat vähäisiä. Typetys ei varsinaisesti ole karkaisumenetelmä, vaikka usein puhutaankin typetyskarkaisusta. Siksi typetettäväksi valitaan joko normalisoitu hiiliteräs tai nuorrutusteräs tai erityisesti typetykseen tarkoitettu esim. alumiiniseostettu teräs. 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 20
Alumiiniseostetuilla nuorrutusteräksillä kappaleen pinnan kovuus voi nousta typetyksen jälkeen yli 1100 HV. Hiilitypetyksellä päästään yli 900 HV pintakovuuteen. Kaasutypetyksessä kappaletta kuumennetaan (450 550 C:ssa) typpeä luovuttavassa (ammoniakki) uuniatmosfäärissä. Käsittelyajat ovat pitkiä (20 100 h). Kappaletta ei sammuteta kuumennuksen jälkeen. Hiilitypetyksessä typpeä luovuttavan ammoniakin lisäksi uuniatmosfääriin johdetaan hiiltä luovuttavaa kaasua. Menetelmässä käytetään korkeampaa lämpötilaa (570 C), jolloin käsittelyajat ovat lyhyempiä (2 6 tuntia). Typetys voidaan myös suorittaa kylpytypetyksenä. Siinä kappale upotetaan 580 C syanaattiliuokseen, jossa sen annetaan olla 1 3 tuntia. Käsittelyn aikana pintaa absorboituu myös hiiltä. Sekä kylpytypetyksessä että hiilitypetyksessä saavutettava yhdistekerros on hiilen vaikutuksesta sitkeämpää kuin kaasutypetyksessä. Kylpytypetyksen jälkeen kappale sammutetaan joko veteen tai öljyyn. I.4.1.5 Induktiokarkaisu Induktiokarkaisu on menetelmä, jossa valukappale kuumennetaan kuparikelan (induktorin) kautta kulkevalla vaihtovirralla austenointilämpötilaan. Jaksoluvulla voidaan säätää karkaisusyvyyttä. Pienentäminen suurentaa karkaisusyvyyttä. Yleensä 10 khz virta, jolla syvyys 2 3 mm. Nopea toimenpide: 10 20 s. Kuumennuksen jälkeen sammutetaan vesisuihkulla. Päästö 150 200 C. Soveltuu nuorrutetuille teräksille. Kovuus 50 60 HRC. I.4.1.6 Liekkikarkaisu Kuumennetaan kaasuliekillä austeniittiseksi ja karkaistaan vesisuihkulla. Soveltuu samantyyppiset nuorrutusteräkset kuin induktiokarakuunkin. Karkaisusyvyys ei 2 mm:ä pienempi. Karkaisusyvyyttä merkitään tunnuksella DS. Induktiokarkaisua hitaampi. 28.3.2010 - Pekka Niemi Lämpökäsittely - 21