SEPPO KIVIVUORI Lämpökäsittelyoppi 2 LÄMPÖKÄSITTELYTIETOA SUUNNITTELIJOILLE 3
Esipuhe Vuonna 2004 ensimmäisen kerran julkaistu Lämpökäsittelyoppi esittää lämpökäsittelyiden suoritusta yksityiskohtaisesti. Kirja on saanut erittäin hyvän vastaanoton ja sitä on kaikkiaan myyty yli 1000 kappaletta kymmenen vuoden aikana. Kirjaa on käytetty sekä oppimateriaalina ammattikorkeakouluissa ja yliopistoissa että teollisuuden lämpökäsittelyistä vastaavien henkilöiden käsikirjana. Kivivuori Consulting Oy:n laatima kirja Lämpökäsittelyoppi 2 Lämpökäsittelytietoa suunnittelijoille on jaettu kymmeneen lukuun, jotka käsittelevät kukin oman alueensa tuotteiden valmistusketjua. Kirjan sisällön suunnitteluun ja laatimiseen on osallistunut suuri joukko henkilöitä: Kirjan laatimisen tukena on ollut Teknologiateollisuuden Lämpökäsittely ja takomot -toimialaryhmän työryhmä, johon ovat kuuluneet: Lars Lindholm, Sarlin Oy Ab Teollisuusuunit (puheenjohtaja), Antti Piensoho, Stén & Co Oy Ab, Antti Mikkola, Oy Aga Ab, Pär Mickos, Waldec Oy Skaldomet, Ari Lindroos, Katsa Oy, Jouni Ruohola, Bodycote Lämpökäsittely Oy, Ronny Gröning, Fiskars Finland Oy Ab ja Jaakko Kivivuori, Kivivuori Con - sulting Oy. Heidän panoksensa tämän kirjan sisällön laadinnassa, etenkin luvun 4 Lämpökäsittelylaitteet ja niiden huolto osalta, on ollut huomattavan suuri. Erityisesti Antti Mikkolan ja Jouni Ruoholan osuus kappaleen 4.1 ja 4.2 osalta on ollut merkittävää. Ronny Gröning on laatinut alustavan käsikirjoituksen kappaleeseen 4.4 Induktiouunit. Myös Jaakko Kivivuori on laatinut käsikirjoituksen Kappaleeseen 1 Teräksen elinkaari ja vastannut kirjan kuvituksen toteuttamisesta. Kirjan laatimista ovat rahoittaneet Teknologiateollisuuden 100-vuotis - säätiö, Suomen Tietokirjailijat ry ja Teknologiateollisuus ry:n lämpökäsittely ja takomot -toimialaryhmä. Rahoittajien panos kirjan toteutumisessa on mer - kittävä. Kirja tulee olemaan kaivattu oppikirja alan opiskelijoille sekä käsikirja lämpökäsittelyalalla toimiville että lämpökäsittelyjä tarvitseville. Lämpökäsittely ja takomot -toimialaryhmä kiittää osaltaan Kivivuori Consulting Oy:tä sekä erityisesti professori Seppo Kivivuorta ja muita kirjan toteutumiseen osallistuneita ja vaikuttaneita. Helsingissä huhtikuussa 2016 Lämpökäsittely ja takomot -toimialaryhmä 4 ESIPUHE
Sisällysluettelo 1 TERÄKSEN ELINKAARI... 14 1.1 RAUDAN VALMISTUS JÄRVIMALMISTA... 14 1.2 NYKYAIKAINEN TERÄKSEN VALMISTUS... 17 1.2.1 Raakateräksen valmistaminen... 17 1.2.2 Teräksen valmistus kierrätysmateriaaleista... 19 1.3 JATKUVAVALU... 21 1.4 TERÄKSEN SULKEUMAT... 24 1.4.1 Sisäsyntyiset sulkeumat... 24 1.4.2 Ulkosyntyiset sulkeumat... 24 1.4.3 Teräksen puhdistus uudelleen sulattamalla... 25 1.5 KUUMAMUOKKAUS... 26 1.5.1 Valssaaminen... 27 1.5.2 Tankojen ja profiilien valmistaminen valssaamalla... 28 1.5.3 Levyn valmistus valssaamalla... 28 1.6 TERÄKSEN KÄYTTÖ RAKENNEMATERIAALINA... 30 1.6.1 Tuotesuunnittelu... 30 1.6.2 Materiaalin tehokas käyttö... 31 1.6.3 Materiaalin valinta ja suunnittelu... 32 1.7 TERÄKSESTÄ VALMISTETTUJEN TUOTTEIDEN KÄYTTÖ... 33 1.8 TERÄKSEN KIERRÄTYS... 35 1.8.1 Sisäinen kierrätys... 36 1.8.2 Ulkoinen kierrätys... 36 2 MITEN TERÄS SAA OMINAISUUTENSA... 39 8 2.1 METALLIEN RAKENNE... 39 2.1.1 Atomien pinoutuminen... 39 2.1.2 Metallisen hilan viat... 40 2.1.3 Metallien tasapainopiirrokset... 41 2.2 TERÄKSEN EPÄPUHTAUDET... 43 2.2.1 Epäpuhtauksien vähentäminen ja modifiointi... 43 2.2.2 Hyvin lastuttavat teräkset... 45 2.2.3 Matalan käyttölämpötilan teräkset... 45 2.3 TERÄSTEN SEOSTUS... 48 2.3.1 Austeniitin ja ferriitin stabiloijat... 48 2.3.2 Yleisimmin käytetyt seosaineet... 50 2.4 METALLIEN LUJUUS JA LUJITTAMISMEKANISMIT... 54 2.4.1 Lujitusmekanismit... 54 2.4.2 Liuoslujitus... 55 2.4.3 Erkautuslujitus... 56 2.4.4 Raekoon vaikutus lujuuteen... 57
2.5 MUOKKAUS... 57 2.5.1 Termomekaaninen valssaus... 57 2.6 TERÄKSEN FAASIEN MUODOSTUMINEN... 60 2.6.1 Austeniitin hajautuminen... 60 2.6.2 Perliitti, sen muodostuminen ja rakenne... 61 2.6.3 Bainiitin muodostuminen ja rakenne... 63 2.6.4 Jatkuvan jäähtymisen käyrät eli TTT- ja CCT-piirrokset... 64 2.7 JATKOJALOSTUS... 65 2.7.1 Tankotuotteiden pinnan viimeistelyt... 65 2.7.2 Levytuotteiden pinnan viimeistelyt... 65 2.7.3 Levyjen pinnoitus maalaamalla... 66 3 LÄMPÖKÄSITTELYT... 68 3.1 HEHKUTUKSET... 68 3.1.1 Sintraus... 68 3.1.2 Tasaushehkutus... 69 3.1.3 Normalisointi... 70 3.1.4 Perlitointi... 70 3.1.5 Pehmeäksihehkutus... 71 3.1.6 Jännitystenpoistohehkutus eli myöstöhehkutus... 72 3.1.7 Vedynpoistohehkutus... 73 3.1.8 Rekristallisaatiohehkutus... 73 3.2 KARKAISU JA PÄÄSTÖ... 75 3.2.1 Karkaisun suoritus... 75 3.2.2 Karkaistun kappaleen ominaisuudet... 75 3.2.3 Jäännösjännitykset... 77 3.2.4 Päästö... 79 3.2.5 Päästön haurausalueet... 81 3.2.6 Karkaistavat hiiliteräkset... 83 3.3 NUORRUTUS... 84 3.3.1 Nuorrutuksen suoritus... 84 3.3.2 Teräksen karkenevuus... 84 3.3.3 Nuorrutetun teräksen ominaisuudet... 87 3.3.4 Nuorrutusteräkset... 90 3.3.5 Booriseosteiset teräkset... 92 3.4 PINTAKARKAISU... 93 3.4.1 Liekki- ja induktiokarkaisu... 93 3.4.2 Raaka-aine... 95 3.5 HIILETYSKARKAISU... 95 3.5.1 Hiiletyskarkaisun suoritus... 96 3.5.2 Saavutettavat materiaaliominaisuudet... 97 3.5.3 Hiiletysteräkset... 98 3.5.4 Typpihiiletys... 100 3.5.5 Kuulapuhallus... 100 3.6 TYPETYS... 102 3.6.1 Typetysmenetelmät... 102 3.6.2 Typetyksen suorittaminen... 103 3.6.3 Raaka-aine... 103 9
3.7 METALLIEN KYLMÄKÄSITTELYT... 104 3.7.1 Pakkaskarkaisu... 105 3.7.2 Kryokäsittely... 106 3.7.3 Laitteet... 106 3.8 VALURAUTOJEN JA -TERÄSTEN LÄMPÖKÄSITTELY... 107 3.8.1 Myöstö... 107 3.8.2 Normalisointi... 107 3.8.3 Bainitointi... 108 3.8.4 Austemperointi... 108 3.8.5 Adusointi... 110 3.9 RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN LÄMPÖKÄSITTELYT... 111 3.10 ALUMIINISEOSTEN LÄMPÖKÄSITTELYT... 112 4 LÄMPÖKÄSITTELYLAITTEET JA NIIDEN HUOLTO... 116 4.1 UUNIATMOSFÄÄRIT... 117 4.1.1 Uuniatmosfäärin valinta... 118 4.1.2 Lämpökäsittelyuunit ilman suojakaasua... 119 4.1.3 Suojakaasun muodostaminen polttokaasuista... 120 4.1.4 Kemiallisesti reagoimaton uuniatmosfääri... 121 4.1.5 Kemiallisesti aktiivinen uuniatmosfääri... 121 4.1.6 Kaasun puhtausluokat... 128 4.2 UUNIT... 129 4.2.1 Kertapanosteiset uunit... 129 4.2.2 Jatkuvatoimiset uunit... 135 4.3 KYLVYT... 137 4.3.1 Suolakylvyt... 138 4.3.2 Metallikylvyt... 139 4.3.3 Leijupatjakylvyt... 139 4.4 INDUKTIOUUNIT... 140 4.5 ALIPAINEINEN ATMOSFÄÄRI... 142 4.6 LÄMPÖTILAN MITTAAMINEN... 142 4.7 TYÖTURVALLISUUS LÄMPÖKÄSITTELYLAITOKSISSA... 143 4.7.1 Tapaturmat... 144 4.7.2 Työpaikan hengitysilma... 145 4.7.3 Kaasuturvallisuus... 148 4.8 KUNNOSSAPITO OSANA LAADUNVARMISTAMISTA... 149 4.8.1 Kunnossapito... 149 4.8.2 Huollon digitalisoituminen... 150 4.8.3 Teollinen internet... 151 4.8.4 Älykkäät tuotantolaitteet... 152 10
5 TERÄKSEN KONEPAJAKÄSITTELYT JA NIIHIN LIITTYVÄT LÄMPÖKÄSITTELYT.. 154 5.1 VALAMINEN... 154 5.1.1 Valuprosessit... 155 5.1.2 Teräksen valmistuksen valuprosessit... 157 5.1.3 Valuraudat ja -teräkset... 158 5.1.4 Teräksen valamiseen liittyvät lämpökäsittelyt... 159 5.2 HITSAUS... 159 5.2.1 Sulahitsaus... 160 5.2.2 Puristushitsaus... 161 5.2.3 Hitsauksen aiheuttamat mikrorakennemuutokset... 162 5.2.4 Esikuumennus... 164 5.2.5 Hitsattujen rakenteiden lämpökäsittelyt... 165 5.3 TAKOMINEN... 166 5.3.1 Taonnan työvaiheet... 166 5.3.2 Takeen suunnittelu... 168 5.3.3 Takeiden ominaisuudet... 169 5.3.4 Takeiden kustannukset... 170 5.3.5 Taottavat materiaalit... 171 5.3.6 Seostamattomat ja niukkaseosteiset teräkset... 171 5.3.7 Runsasseosteiset teräkset... 175 5.3.8 Kuumataottujen kappaleiden lämpökäsittelyt... 177 5.3.9 Lämmintaonta... 177 5.3.10 Lämmintaonnan lämpökäsittelyt... 181 5.3.11 Terästen kylmätaonta... 181 5.3.12 Kylmämuovattujen tuotteiden lämpökäsittelyt... 183 5.4 PURSOTUS... 184 5.4.1 Pursotusmenetelmät... 184 5.4.2 Saumattomien putkien pursottaminen... 186 5.4.3 Saumallisten putkien pursotus... 187 5.4.4 Teräksen kuumapursotus... 187 5.4.5 Pursotettujen tuotteiden lämpökäsittelyt... 188 5.5 JAUHEMETALLURGISET MENETELMÄT... 189 5.5.1 Jauheen valmistus... 189 5.5.2 Isostaattinen kylmä- (CIP) ja kuumapuristus (HIP)... 189 5.5.3 Metallien ruiskuvalu eli MIM... 191 5.5.4 Metallikappaleiden 3D-tulostus... 193 5.5.5 Pulverimetallurgisten tuotteiden lämpökäsittelyt... 197 5.6 TERÄSOHUTLEVYJEN MUOVAUS... 197 5.6.1 Levynmuovausmenetelmät... 197 5.6.2 Materiaalin muovattavuus... 205 5.6.3 Rajamuovattavuuspiirros... 205 5.6.4 Muovattavat ohutlevyteräkset... 206 5.6.5 Ohutlevyjen lämpökäsittelyt... 208 5.7 LASTUAVA TYÖSTÖ... 210 5.7.1 Lastuaminen terällä... 210 5.7.2 Lastuavan työstön menetelmiä... 211 5.7.3 Lastuaminen hiomarakeilla... 212 5.7.4 Lastuavan työstön lämpökäsittelyt... 213 11
6 AINEENKOETUS... 215 6.1 KOVUUSMITTAUKSET... 216 6.1.1 Kovuuden mittaustavat ja menetelmät... 216 6.1.2 Kovuusarvojen muuntaminen... 217 6.1.3 Standardit... 217 6.1.4 Kovuusmittausten suoritus... 217 6.1.5 Rockwell-kovuusmittaus... 220 6.1.6 Vickers-kovuus... 221 6.1.7 Kovuuden muunnostaulukot... 223 6.2 KARKENEVUUDEN MITTAAMINEN... 225 6.2.1 Jominykoe... 225 6.2.2 Lamontin menetelmä... 227 6.2.3 Mikroskopia... 229 6.2.4 Optinen mikroskopia... 230 6.2.5 Elektronimikroskopia... 231 6.2.6 Atomivoima- ja tunnelointimikroskooppi (AFM/STM)... 234 6.3 RIKKOVA AINEENKOETUS... 235 6.3.1 Metallien vetokoe... 235 6.3.2 Vetokokeessa määritettävät lujuus- ja sitkeysarvot... 238 6.3.3 Puristuskoe... 240 6.3.4 Staattiset taivutuskokeet... 241 6.3.5 Staattiset vääntö- ja leikkauskokeet... 242 6.3.6 Iskusitkeyskokeet... 242 6.3.7 Metallien väsytyskokeet... 245 6.4 LEVYNMUOVAUKSEN AINEENKOETUSKOKEET... 247 6.4.1 Vetokoe... 247 6.4.2 Todellinen jännitys ja todellinen venymä... 249 6.4.3 Vetokäyrän analyyttinen esitys... 249 6.4.4 Erichsenin ja Olsenin kokeet... 251 6.4.5 Plastinen venymäsuhde ja rajavetosuhde... 252 6.4.6 Rajamuovattavuuspiirros... 254 6.5 AINETTA RIKKOMATON AINEENKOETUS... 256 6.5.1 Silmämääräinen tarkastus... 256 6.5.2 Tunkeumanestetarkastus... 256 6.5.3 Magneettijauhetarkastus... 256 6.5.4 Radiografinen tarkastus... 258 6.5.5 Ultraäänitarkastus... 258 7 LÄMPÖKÄSITTELYN TILAUS... 260 7.1 TERÄKSEN TAI TERÄSTUOTTEEN TILAUS... 260 7.1.1 Ainestodistukset... 260 7.1.2 Jälkikäteen toimitettavat ainestodistukset... 260 7.2 LÄMPÖKÄSITTELYN TILAUS... 260 7.2.1 Lämpökäsittelyn tilauksen yhteydessä ilmoitettavat tiedot... 261 7.2.2 Raaka-ainetiedot... 261 7.2.3 Lämpökäsittelyn menetelmät... 261 12
7.3 KÄSITTELYSYVYYDET... 262 7.3.1 Induktiokarkaisusyvyys... 262 7.3.2 Hiiletyssyvyys... 264 7.3.3 Typetyssyvyys... 265 7.4 PIIRUSTUSMERKINNÄT... 266 7.5 KARKAISUKÄSITTELYYN KULUVAN AJAN LYHENTÄMINEN... 269 7.6 LÄMPÖKÄSITTELYN KUSTANNUKSET... 270 7.6.1 Tuotantokustannukset... 271 7.6.2 Materiaalikustannukset... 271 7.6.3 Lämpökäsittelykustannukset... 273 7.6.4 Toimitusehdot ja tilauskaavake... 273 LIITE 7.1... 275 LIITE 7.2... 277 LIITE 7.3... 280 8 LÄMPÖKÄSITTELYT JA YMPÄRISTÖ... 282 8.1 MATERIAALITEHOKKUUS... 282 8.1.1 Teräksen valmistus... 282 8.1.2 Tuotteen valmistus... 282 8.1.3 Lämpökäsittely... 283 8.2 ENERGIATEHOKKUUS... 284 8.2.1 Uunien energiatehokkuus... 284 8.2.2 Liikenteen polttoainesäästöt... 284 8.2.3 Muottiinkarkaisu... 286 8.2.4 Suorasammutusteräkset... 287 8.3 YMPÄRISTÖTEHOKKUUS... 288 8.3.1 Kasvihuonepäästöt... 288 8.3.2 Päästöt ilmaan... 288 8.3.3 Päästöt vesistöihin... 289 8.3.4 Kiinteät jätteet... 289 9 LÄMPÖKÄSITTELYN SANASTO... 290 10 LÄMPÖKÄSITTELYYN LIITTYVÄ STANDARDISOINTI... 297 10.1 SFS-STANDARDIT... 297 10.2 EUROOPPALAINEN STANDARDISOINTI... 297 10.2.1 Yleisstandardit... 297 10.2.2 Testaus... 298 10.2.3 Turvallisuusstandardit... 298 10.3 VAHVISTETUT EUROOPPALAISET STANDARDIT... 299 HAKEMISTO... 301 13