Raudan valmistus Luento 5 Rauta esiintyy maankuoressa tyypillisesti oksideina ja useimmiten rautaa halutaan käyttää metallisessa muodossa. Tyypilliset rautamalmit ovat magnetiitti (Fe 3 O 4 ) hematiitti (Fe 2 O 3 ) limoniitti (2Fe 2 O 3 3H 2 O ) rautasälpä (FeCO 3 ) 2 Rikastus Pelkistys Hematiitti (Fe 2 O 3 ) on maailman yleisin rautamalmi. Sitä louhitaan avolouhoksista ja sitä ei normaalista tarvitse rikastaa. hematiitti on väriltään ruosteenpunainen Magnetiittia (Fe 3 O 4 ) ei yleensä ole maanpinnalla ja siinä enemmän happea louhinta on kalliimpaa malmi rikastetaan sivukivestä murskaamalla ja magneettierottelulla tai vaahdotuksella magnetiitti on väriltään musta Rautaoksidi muutetaan metalliseksi raudaksi hiilimonoksidin avulla 2O + C = CO 2 CO 2 + C = 2CO 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2 F e O + CO = Fe + CO 2 3Fe + 2CO = Fe 3 C + CO 2 3 4
Masuuni Raudan pelkistäminen tehdään masuunissa. Tarvittavat raakaaineet malmia 6000 tonnia koksia 2000 tonnia kalkkikiveä 2500 tonnia ilmaa 18000 tonnia Masuunissa syntyy kuonaa 2500 tonnia masuunikaasua 20000 tonnia raakarautaa 4000 tonnia Raaka-aineista koksi, malmi ja kalkkikivi syötetään ylhäältä. Koksin palaessa syntyy lämpöä ja masuunikaasua joka poistuu myös ylhäältä. Masuunikaasu puhdistetaan pölystä ja sillä lämmitetään masuuniin puhallettava ilma. Masuuni 5 6 Alaosasta puhalletaan esilämmitettyä ilmaa koksin palamisen tehostamiseksi. Kalkkikivestä, tuhkasta, uunin tulenkestävästä vuorauksesta ja malmin kiviaineksesta syntyy kuonaa joka kelluu sulan raudan päällä. Syntyvän harkkoraudan koostumus on tyypillisesti C 3.5 4.5% Si 0. 3 2.0% Mn 0. 5 2.0% S 0.01 0.1% P 0.05 2.0% Masuuni Muut menetelmät raudan valmistamiseksi Kierrätys tällä hetkellä käytettävästä raudasta noin 65% valmistetaan malmista ja loput 35% kierrätetystä romusta etuna energian säätö koska rautaa ei tarvitse pelkistää. Pelkkä sulattaminen riittää Suorapelkistys malmista raudaksi pelkistävänä kaasuna esim. vety ja hiilimonoksidi 7 8
Teräksen valmistus Mellotus Masuunista saatavan raudan hiilipitoisuus on liian korkea teräksen valmistukseen, mutta valurautaan sitä voidaan käyttää. Terästä saadaan kun harkkoraudalle tehdään mellotus eli hiilenpoisto raffinointi eli haitta -aineiden poisto seostus tiivistys eli kaasun poisto 9 Raudan hiilipitoisuus lähtötilanteessa on noin 4%. Kun sulaan rautaan lisätään happea esimerkiksi puhaltamalla, palavat sulassa olevat alkuaineet seuraavassa järjestyksessä alumiini pii mangaani kromi hiili fosfori rauta Alumiini, pii, mangaani, kromi ja fosfori muodostamat oksidit liukenevat sulan pinnalla olevaan kuonaan. Hiili muodostaa hiilimonoksidia (kaasu), joka poistuu kiehumalla. 10 Mellotus Konvertteri Konvertteri käsittely kestää luokkaa 7-8 minuuttia. Sulan tiheys kasvaa kun sen hiilipitoisuus pienenee. Raskas sula painuu konvertterin pohjalle ja kevyt hiilipitoinen sula nousee pinnalle Erillistä sekoittamista ei tarvita 11 Mellotus tehdään pääasiassa erilaisissa konvertereissa LD konvertteri LD-KG konvertteri OBM konvertteri Konvertterit eroavat toisistaan puhallustavan mukaan. LD:s s ä happea puhalletaan ylhäältä. L D -K G :s s ä happea puhalletaan ylhäältä, alta puhalletaan argonia tai typpeä ja OBM:s s ä happea puhalletaan alhaalta. Aikaisemmin puhalluksessa käytettiin ilmaa, jolloin kysymyksessä olivat Bessemer konvertteri Thomas konvertteri 12
Uunit Uunit Konvertterissa käytetään sulaa rautaa esimerkiksi suoraan masuunista. Jos lähdetään liikkeelle kiinteästä raudasta tai teräksestä käytetään uuneja Martin uuni valokaariuuni induktiouuni Martin uunissa teräs lämmitetään kuumalla kaasulla ja niiden käyttö on vähentynyt Valokaariuuni Induktiouuni 13 14 Raffinointi Masuunissa käytettiin rautaoksidin pelkistämiseen koksia, mikä normaalisti nostaa raudan rikkipitoisuuden liian korkeaksi. Lisäksi malmin fosforipitoisuus on tyypillisesti liian korkea. Tyypillisesti käytetään kalkkia CaO, joka muodostaa kuonaa sekä rikin että fosforin kanssa. Seostus Teräksen tyypillisiä seosaineita ovat: Si, Mn, C r, Ni ja Mo. Seosaineet lisätään sopivina raudan yhdisteinä ferropii (75% Si ) ferromangaani (75% M n ) ferrokromi (60% Cr) nikkeli metallisena ferromolybdeeni (60% Mo) Seostus tehdään yleensä mellotusuunissa 15 16
Kaasujen poisto Tiivistäminen Mellotetussa teräksessä on liuenneena happea, typpeä ja vetyä. typpi lisää teräksen vanhenemistaipumusta vety aiheuttaa haurausilmiöitä Nämä voidaan poistaa argonhuuhtelulla tai tyhjiökäsittelyllä AOD-konvertteri (Argon Oxygen Decarburization) VODC-k o n v e r t t e r i (Vacuum Oxygen Decarburization Converter) Kun sulaan teräksen lämpötila laskee, hapen liukoisuus pienenee. Vapautunut happi muodostaa hiilimonoksidia, josta osa jää loukkuun jähmettyneen metallin sisään tiivistämätön teräs Jos vapautuvat happi sidotaan alumiiniin, ei kaasuhuokosia synny. Tällöin teräs kutistuu jäähtymisen aikana alumiinilla tiivistetty teräs Tiivistäminen voidaan tehdä myös piillä ja mangaanilla 17 19 Tiivistetty teräs Nykyään käytännöllisesti kaikki teräkset valetaan tiivistettyinä. Aikaisemmin kuumamuokattavaksi tarkoitetut teräksen jätettiin tiivistämättä, koska kuumamuokkaus painaa huokoset kiinni. Tiivistyksen yhteydessä syntyneet oksidit nousevat sulan pinnalle. Kappaleen sisälle jääneet sulkeumat aiheuttavat osaltaan muokatun kappaleen syykuviot. Esimerkki syykuviosta Valssi ja valssaus (roller and rolling) Valssauksen päätarkoitus on pienentää poikkipinta - alaa, parantaa ominaisuuksia ja antaa kappaleelle haluttu muoto. Runko (housing) Voima anturi (load cell) Laakeripesä (chucks) Työvalssi (work rolls ) 20 21
Jaottelu Kuumavalssaus (osuus 50%) esivalssatut aihiot, laatat, erilaiset profiilit ratakiskot palkit ja tangot levyt saumattomat putket Kylmävalssaus levyt nauhat lopullinen paksuus pienempi parempi pinnanlaatu suurempi lujuus ja kovuus Kuumamuokkaus Riittävän korkeissa lämpötiloissa rekristallisaatioaika on niin lyhyt, että muokattu rakenne rekristallisoituu jatkuvasti muokkauksen aikana 22 23 Jaottelu Paksuus pienenee yhtä paljon, leveys ei muutu ohutlevyt, nauhat, foliot leveys > 20 x paksuus tasomyötymätila Paksuus pienenee yhtä paljon, leveys kasvaa esivalssatut aihiot, laatat, paksut levyt metallit virtaa sekä pituus - että leveyssuuntaan Paksuus muuttuu vaihtelevasti osassa kappaletta paksuus pienenee enemmän kuin muualla (tai muualla paksuus voi kasvaa), metallia voi virrata reunoilta keskelle muokkauksen aikaiset jännityksen monimutkaisia Duovalssaimessa (twohigh rolling mill) valssin pyörimissuuntaa vaihdetaan tai valssattava kappale siirretään toista kautta valssin etupuolelle. Kolmivalssaimessa alin ja ylin pyörivät samaan suuntaan ja keskimmäinen eri suuntaan. Valssattava kappale voi kulkea valssin läpi molemmilta puolilta. Valsseja 24 25
Valssausteoria ei voi esittää lyhyesti, joten hyvin pelkistetysti. Pisteessä N levyn ja valssin nopeus samoja, muualla nauha liukuu valssin pinnassa kitka lämmittää valssia ja nauhaa pintojen kuluminen tehon kuluminen Valssausvoima saadaan pienemmäksi kun valssin ja nauhan välinen pinta-ala on pienempi. Valssausvoima Halkaisijaltaan pienempi valssi taipuu keskeltä valssausvoiman vuoksi. Ratkaisuna on yhdistää pienet työvalssit suurempiin tukivalsseihin. nelivalssain (four-high mill) Valssausvoima ei ole suorassa kulmassa valssaussuuntaan nähden. Ratkaisuna on käyttää kahta tukivalssia (siis yhteensä kuutta valssia). Valsseja 26 27 Valsseja Muodot Sendzimir -valssaimessa valssausvoimat (ja valssien taipuminen) hallitaan usealla tukivalssilla ja -laakerilla. Planeettavalssaimella päästää erittäin suuriin (98%) muokkausasteisiin. 28 Harkko (ingot ) Esivalssattu aihio (bloom) m i t a t > 1 4 0 m m x 1 4 0 m m Esivalssattu aihio, billetti (billet ) m i t a t > 3 8 m m x 3 8 m m Tanko (bar ) Laatta (slab) a l a > 1 0 3 0 m m 2 leveys > 2 x paksuus Levy (plate ) p a k s u u s > 6. 4 m m Ohutlevy (sheet ) l e v e y s > > p a k s u u s Nauha (strip) leveys > paksuus Folio ( foil) v i e l ä o h u e m p i 29
Poikkileikkaukseltaan monimutkaisten kappaleiden valssaaminen aloitetaan yleensä tangosta. Haluttu muoto saadaan aikaan usealla pistolla. Eri vaiheet suunnitellaan niin että metalli ei virtaa liikaa muokkauksen aikana. Yksinkertaisen kulmaraudankin valssaus voidaan tehdä monella tapaa. Muodot Muodot I-palkki valssataan usein yleisvalssaimessa (universal rolling), jolloin järjestelyt ovat monimutkaisemmat. Tarvittavien pistojen lukumäärä on pienempi. Laipan (flange ) ja uuman (web) muokkausasteen voivat olla erisuuret. 30 31 1. Charging an electric arc furnace with scrap and slag formers. 2. Melting. 3. Removal of the slag. 4. The steel i s refined and alloyed in an ASEA-SKF ladle furnace. 5. The steel i s degassed in the same furnace. 6. The steel i s teemed uphill into ingot moulds. Each heat i s teemed into 24 ingots. 7. The moulds are removed. 8. The ingots are heated in a soaking pit to the proper rolling temperature. 9. The rolling o f ingots into billets is started in rolling stand 1. 10. The oxygen scarfing machine surface defects are removed from the billet. 11. The billet rolling is continued in rolling stands 2 and 3. 12. The billets are inspected and surface defects, if any, are removed by grinding. 34 35
Jatkuvavalussa sulaa syötetään kokoajan vesijäähdytettyyn kuparimuottiin. Osittain jähmettynyttä metallia vedetään muotista samaa vauhtia kun sulaa metallia lisätään ylhäällä olevaan välisenkkaan (tundish) Jatkuvavalu (Continuous casting) Terässtandardit 36 Standardit Joka maalla ja järjestöllä oma standardi AISI (USA) SAE (USA) ASTM (USA) ASME (USA) UNS (USA) DIN (Saksa) Werkstoff numero (Saksa) BS (Iso -Britania) AFNOR (Ranska) UNI (Italia) SS (Ruotsi) SFS E N Standardit American Iron and Steel Institute (AISI) ja Steels Society of Automotive Engineers (SAE) xx40 Hiilipitoisuus 0,40 painoprosenttia 10xx Hiiliteräkset, M n enintään 1.00% 15xx Hiiliteräkset, M n 1.00 1.60% 13xx Hiiliteräkset, M n 1.60 1.90% 11xx Hiiliteräkset, korotettu rikkipitoisuuttu 12xx Hiiliteräkset, korotettu rikki - ja fosforipitoisuus Seostetut teräkset jaetaan niukkaseosteisiin (<8%) ja runsasseosteisiin (>8%) 38 39
Standardit Amerikkalaiset standardit koottu yhteen AISI/SAE 1040 = UNS G10400 Uni? ed Numbering System (UNS) G = AISI/SAE hiili ja seosteräkset F = valuraudat ja valuteräkset J = valuteräkset D = teräkset joilta vaaditaan tietyt mekaaniset ominaisuudet S = lämmönkestävät ja ruostumattomat teräkset T = työkaluteräkset H = karkenevat teräkset Standardit The American Society for Testing and Materials (ASTM) Rautametallit, sementti, puu, kankaat, kupari, jne. Materiaaleilta vaaditaan tarkemmat ominaisuudet käyttökohteen mukaan Samalle materiaalille useita standardeja (esimerkiksi 2¼Cr-1Mo löytyy seuraavista) 41 42 Standardit ASTM:n yhdessä standardissa on taasen mukava useita teräksiä. Esimerkiksi ASTM A 213 Seamless Ferritic and Austenitic Alloy Steel f o r Boiler, Superheater, and Heat Exchanger Tubes pitää sisällään 14 ferriittistä ja 14 austeniittista terästä tulistimia varten Eri teräkset merkitään Txx merkinnällä. Esimerkiksi 2¼C r-1mo on tässä standardissa nimellä ASTM A 213 T22 Standardit American Society of Mechanical Engineers (ASME) Erityisesti paineastiat ASME Boiler & Pressure Vessel Code Käyttää hyväksi ASTM:n merkintöjä ASTM A 213 = ASME SA213 ASM International on pääasiassa erilaisia julkaisuja kustantava organisaatio 43 44
Standardit Standardit Deutsches Institut fur Normung (DIN) jaottelee seuraavasti Seostamattomat: Al <0.1%, C u<0.25%, M n<0.8%, Si<0.5% ja Ti<0.1% Niukkaseosteiset: seosainepitoisuus ei saa ylittää 5% Runsasseosteiset: seosainepitoisuus yli 5% Seostamattomien ja niukkastiseostettujen nimeäminen C o, C r, M n, Ni, Si ja W nimellinen pitoisuus ilmoitetaan luvulla 4 kerrottuna Al, C u, M o, Ti ja V nimellinen pitoisuus ilmoitetaan luvulla 10 kerrottuna C, N, P ja S nimellinen pitoisuus ilmoitetaan luvulla 100 kerrottuna Tulkinta voi olla joskus hankalaa... 45 Esimerkiksi 17 CrNiMo 6 Hiili = 17/100 = 0,17% Kromi = 6/4 = 1.5% Nikkeli = 6/4 = 1.5% ja taulukko arvot Hiili = 0,15-0,20% Pii < 0,40% Mangaani = 0,40-0,60% Fosfori < 0,035% Rikki < 0,035% Kromi = 1,50-1,80% Molybdeeni = 0,25-0,35% Nikkeli = 1,40-1,70% Esimerkiksi 21 NiCrMo 2 Hiili = 21/100 = 0,21% Nikkeli = 2/4 = 0,5% Kromi = 2/4 = 0,5% ja taulukko arvot Hiili = 0,17-0,23% Pii < 0,40% Mangaani = 0,65-0,95% Fosfori < 0,035% Rikki < 0,035% Kromi = 0,40-0,70% Molybdeeni = 0,15-0,25% Nikkeli = 0,40-0,70% 46 Standardit Lisäksi DIN standardin rinnalla käytetään Werkstoff numeroita Teräksen tietojen ja vastaavuuksien löytäminen ehkä helpointa ko numeron avulla Varsin täsmällinen listaus esim. Stahlschlüssel teoksesta Terästen mikrorakenteet 47
Austeniitin hajaantuminen tasapainon mukaisesti Hiilipitoisuuden vaikutus mikrorakenteeseen Mitä enemmän hiiltä sen enemmän perliittiä 0,10% perliitti näkyy pieniä tummina laikkuina ferriitin seassa. Lamelirakennetta ei tahdo erottaa 0.40% perliittiä (tummat alueet) ehkä hiukan enemmän kuin ferriittiä (vaaleat alueet). Perliitin lamelirakenne näkyy osissa alueita otollisen orientaation takia (vertaa lohifileeseen) 0.95% perliittiä, mutta ei ferriittiä. Ylieutektoidinen teräs, joten ferriitin sijasta näkyy pieniä määriä esieutektoidista sementiittiä (valkoiset alueet). Hyvällä mielikuvituksella kuvasta näkee myös perinnäisen austeniitin raerajat. 52 53 Seosaineet Seosaineet Hiili Liuoslujittaa, stabiloi a u s t e n i i t t i a, lisää karkenevuutta, muodostaa karbidia (erityisesti sementiittiä), laskee M s lämpötilaa Mangaani Deoksidoija, heikko karbidin muodostaja, muodostaa mangaanisulfidia ja vähetään haitallista rautasulfidia, lisää karkenevuutta, liuoslujittaja, stabiloi a u s t e n i i t t i a, Fosfori Useimmissa tapauksissa epäpuhtaus, mutta voidaan lisätä niukkahiilisiin teräksiin lujuuden kasvattamiseksi. Parantaa lastuttavuutta. Edistää päästöhaurautta. 58
Seosaineet Rikki Epäpuhtaus, mutta voidaan lisätä koneistettavuuden parantamiseksi. Pii Liuoslujittaja, lisää karkenevuutta, lisätään sulaan hapen sitomiseksi (piioksidisulkeumien synty), ei muodosta karbidia, parantaan hapettumisen kestoa Nikkeli Liuoslujittaja, lisää karkenevuutta, lisää sitkeyttä erityisesti matalissa lämpötiloissa, ei muodosta karbideja Seosaineet Kromi Pieni liuoslujittava vaikutus, lisää karkenevuutta, parantaa korroosion kestävyyttä ja hapettumisenkestoa korkeissa lämpötiloissa, karbidin muodostaja (tehokkaampi kuin M n ) Molybdeeni Liuoslujittaa, lisää karkenevuutta, voimakas karbidin muodostaja (tehokkaampi kuin Cr ), parantaa korkean lämpötilan ominaisuuksia, parantaa virumisenkestoa, estää päästöhauraudan syntyä 59 60 Seosaineet Kupari Monesti epäpuhtaus, sillä aiheuttaa kuumahaurautta. Käytetään joissain teräksissä korroosion keston parantamiseen, liuoslujitukseen ja erkaumakarkaisuun. Pieni liukenevuus teräkseen huoneen lämmössä. Ei muodosta karbideja. Koboltti Parantaa lujutta, parantaa kuumalujuutta, heikko karbidin muodostaja, pienetää karkenevuutta. Tärkeä seosaine työkaluteräksissä ja lämpöäkestävissä teräksissä. Seosaineet Wolframi Liuoslujittaa ja lisää karkenevuutta. Vahva karbidin muodostaja. Syntyvät karbidit kovia, kulumiskesto Vanadiini Tärkeä seosaine mikroseostuksessa, pienentää raekokoa, lisää karkenevutta, vahva nitridin muodosta ja muodostaa myös karbideja, pienentää lujuuden laskua päästön aikana Niobium Tärkeä seosaine mikroseostuksessa, pienentää raekokoa, lisää karkenevutta, vahva karbidin muodostaja, muodostaa myös nitridejä 61 62
Seosaineet Alumiini Pienentää raekokoa, tärkeä deoksidoija, muodostaa epäedullista alumiinioksidia, vahva nitridin muodostaja, ei muodosta karbideja Titaani Tärkeä seosaine mikroseostuksessa, pienentää raekokoa, erittäin voimakas karbidin ja nitridin muodostaja, sitoo typen booriteräksissä, tehokas deoksidoija, voi muodostaa titaanisulfidia Boori Lisää karkenevuutta, tehostaa muiden seosaineiden vaikutusta karkenevuuteen Seosaineet Typpi Saatetaan lisätä joihinkin mikroseostettuihin teräksiin Lyijy Ei liukene teräkseen, voidaan lisätä koneistettavuuden parantamiseksi, mutta ympäristövaikukset tulee muistaa Vismuutti Parantaa koneistettavuutta Tina, antimoni ja arseeni Epäpuhtaus, edistää päästöhaurautta 63 64 Seosaineet Happi Muodostaa oksideja muiden alkuaineiden kanssa (M n, Si, A l,ti, jne) kanssa, jotka voivat laskea sitkeyttä ja väsymiskestoa. Poistetaan alumiini - ja/tai piitiivistyksellä tai vakuumikäsittelyllä V e t y Aiheuttaa vetyhaurautta, poistetaan vakuumikäsittelyllä tai hitaalla jäähtymisellä austeniitti -ferriitti muutoksen jälkeen Kalsium Käytetään rikin muotokontrolliin, voimakas deoksidoija, muodostaa sulkeumia Seosaineet Zirkooni Käytetään rikin muotokontrolliin, voimakas deoksidoija, muodostaa zirkoniumoksidia, voimakas nitridin muodostaja Cerium Käytetään rikin muotokontrolliin, voimakas deoksidoija 65 66
Seostamattomat teräkset Seostamattomat teräkset Jaottelu Yleiset rakenneteräkset Koneteräkset Paineastiateräkset Laivanrakennusteräkset Ohutlevy - ja putkiteräkset (muovattavuus) Hienoraeteräkset Säänkestävät teräkset Seostamattomat valuteräkset 69 Yleiset rakenneteräkset Käsitettä "yleiset rakenneteräkset" ei enää esiinny aikaisempien normien tapaan nykyisissä teräsnormeissa (esim SFS-EN 10 027). Käsite on kuitenkin totutusti edelleen varsin runsaassa käytössä. A l i e u t e k t o i d i s i a, ferriittivaltaisia (enintään 1/3 perliittiä) teräksiä (seuraavat kalvot) Kuumavalssatussa teräslevyssä hiilipitoisuuden kasvaessa perliitti usein esiintyy nauhamaisina rakenteina johtuen mangaanin suotautumisesta teräksen jähmettymisen yhteydessä. Mangaani suosii perliitin syntymistä, joten mangaanirikkaille alueille syntyy enemmän perliittiä. 70 71
Normeissa SFS -EN 10 025 ja SFS-EN 10 027 (alkaen 1993) perinteiseen yleisen rakenneterästen ryhmään kuuluneet teräkset merkitään seuraavasti (kaksi esimerkkiä): S235JRG2 Aikaisempia merkintätapoja St 37 (DIN 17100) Fe 37 B (SFS 200 vv.1969-1991) Fe 360 B (SFS-EN 10 025 vv. 1991-1993) S355J2G3 Aikaisempia merkintätapoja St 52-3 (DIN 17100) Fe 52 D (SFS 200 vv. 1969-1991) Fe 510 D1 (SFS-EN 10 025 vv. 1991-1993) 72 73 Nykyisessä merkinnässä: S tarkoittaa rakenneterästä numerotunnus tarkoittaa myötölujuuden minimiarvoa N/mm 2 (aikaisemmissa normeissa murtolujuuden minimiarvo) numero -osan jälkeiset merkit ilmaisevat iskukokeen iskuenergiavaatimuksen ja kokeen suorituslämpötilan (esimerkeissä JR ja J2) lisätunnukset määrittelevät mm käsittelytavan, toimitustilan sekä mahdollisesti myös tuotemuodon esim. yllä mainituissa esimerkeissä tunnus G tarkoittaa teräksen tiivistystapaa (esim. alumiinitiivistys) ja 3 toimitustilaa (esim. normalisoitu) standardissa on lisäksi esitetty eri tuotemuotoihin, käsittelytiloihin ja käyttökohteisiin liittyvät tunnukset Iskukokeen merkintä EN- SFS 10027 mukaan Iskusitkeyden minimiarvo J 27J K 40J L 60J Iskukokeen lämpötila C R +20 0 0 2-20 3-30 5-50 74 75
Yleiset rakenneteräkset Yleiset rakenneteräkset Mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttaminen kuumavalssattuina kuumataottuina normalisoituina rekristallaatiohehkutettuina kylmämuokattuina hiiletyskarkaistuina Eivät ole karkaistavia tai nuorrutettavia Lujuus saadaan aikaan hiili ja mangaani seostuksella Koneistettavia ja hitsattavia: ei karkenemista ei kuumahalkeilua, jos epäpuhtauspitoisuudet k u r i s s a Mekaaniset ominaisuudet Murtolujuus 300-500 MPa Myötölujuus 200-350 MPa Murtovenymä 15-20 % Myötövanhenevia: terävä myötö - ja väsymisraja, mutta myös korostunut taipumus haurasmurtumaan sitkeyden transitiolämpötila tyypillisesti välillä -25-50 o C taipuvaisia rakeenkasvuun austeniittialueella; karkeajakoinen mikrorakenne altis haurasmurtumille Olleet ja yhä ovat teräsrakentamisen valtamateriaali kehitystrendinä lähinnä puhtauden parantaminen sitkeysominaisuuksien edelleen parantamiseksi sekä tiivistäminen alumiinilla tai titaanilla typen ja siitä aiheutuvan myötövanhenemistaipumuks en kurissa pitämiseksi 76 77 Myötövanheneminen Seurausta dislokaatioiden ja seosatomien vuorovaikutuksesta Strain ag ( e )i n g Dislokaatio saavuttaa alhaisemman energiatilan Tämä lisää dislokaation liikkumiseen tarvittavaa energiaa Lisäys liikkumiseen tarvittavaan energiaan voi olla Paikallista eli staattinen myötövanheneminen Dislokaatioiden liikettä seuraavaa eli dynaaminen myötövanheneminen Seuraavan kalvon esimerkki a) 0.25% C, 0.013% Al ja 0.011% N b) 0.07% C, 0.005% Al ja 0.005% N c) 0.08% C, 0.006% Al ja 0.016% N Koneteräkset Lastuttavuutta on parannettu hiilipitoisuutta nostamalla (luokkaa 0,30%) Hitsaaminen on vaikeampaa Käyttökohteita Hydrauliikka Mahdollisisa lämpökäsittelyjä Kuumamuokkaus Normalisointi Jännitystenpoisto Hiiletyskarkaisu (ja päästö) 78 80
Hienoraeteräkset Matala hiilipitoisuus, mutta korkea lujuus. Parempi hitsattavuus. Parempi lujuus/hinta suhde kuin nuorrutetuilla teräksillä. Useita nimityksiä Hitsattavat hienoraeteräkset H i g h -Strength Low-Alloy (HSLA) (V e r y ) high strength steel Pyrkimys pieneen raekokoon jotta mekaaniset ominaisuudet olisivat hyviä. Myötälujuus 355-800 MPa Mikroseostammalla S355 teräs myötölujuudeksi tulee 410-600 MPa Hienoraeteräkset Menetelmiä Normalisointi (lämpökäsittely) Kuumavalssaus A3-lämpötilan alapuolelle Rakeenkasvua estävien sulkeumien käyttäminen Kontolloituvalssaus Kontrolloitujäähdytys 81 84 Normalisointi Normalisointi Normalisointia käyteään transiitiolämpötilan laskemiseen Mekaaniset ominaisuudet voivat huonontua Mikroseostuksella voidaan parantaa normalisoinnissa saatavia ominaisuuksia Niobikarbidit eivät liukene helposti, haittaavat raeraojen liikkumista ja estävä siten rakeen kasvua 85 86
Kontrolloitu valssaus Kontrolloitu valssaus Kontrolloidussa valssauksessa lämpötila ja muokkausaste kussakin vaiheessa on tarkkaan suunniteltu (ominaisuuksien optimoimiseksi) Pääasiallinen tavoite on ferriitin hienoraekoko, joka saadaan aikaan austeniittin raekokoon vaikuttamalla Sopii hiiliteräksille, mutta parhaimmillaan vanadiini tai niobiseostetuille teräksille. Vanadiini ja niobin karbidit ja nitridit estävät a u s t e n i i t i n raekoon kasvun 87 91 Nopeutettu jäähdytys 93 94
Hienoraeteräkset Hienoraeteräkset (HSLA teräkset) jaotellaan Säänkestävät teräkset Mikroseostettutut ferriittis-perliittisiin teräkset Valssatut perliittiset t e r ä k s e t Asikulaarista ferriittiä sisältävät teräkset Kaksifaasiteräkset Teräkset joissa sulkeumien muoto on kontrolloitu Vetyhaurautta kestävät teräkset Säänkestävät teräkset ( Weathering steels) Teräkseen lisätys seosaineet muuttuvat syntyvät korroosiotuotekerrosta Oksidikerros muodostuu tiiviinä ja alustassaan kiinni pysyvänä, eikä se kasva paksuutta tietyn rajapaksuuden saavuttamisen jälkeen. Se suojaa alla olevan teräksen ympäristön korrodoivilta vaikutuksilta Teräs ruostuu ja on ruosteisen näköinen, mutta ei syövy pitemmälle Kromi, kupari, fosfori 95 97 Mikroseostettutut ferriittisperliittisiin teräkset Pienellä niobi tai vanadiini seostuksella voidaan nostaa kuumavalssatun teräksen lujuutta ilman hiili- tai mangaani pitoisuuden nostamista Tutkimuksen kohteena 1960-luvulla Erilaisia mikroseostuksia Vanadiini Niobi Niobi-molybdeeni Vanadiini-niobi Vanadiini-typpi Titaani Niobi-titaani Mikroseostus vanadiinilla Kehitettiin säänkestävien terästen jälkeen Muodostaa hienoja (5-100 n m) V(CN) e r k a u m i a ferriittiin 0.01 paino-% lisää lujuutta 5-1 5 MPa Erkaumat liukenevat kuumavalsauksen aikana ja muodostuvat jäähtymisen aikana, joten jäähtymisnopeuden vaikutus korostuus Seuraan kalvon esimerkissä Alle 170 C/s jäähtymisnopeuksilla V(CN) erkaumien k o k o kasvaa ja lujittava vaikutus pienenee Suuremmilla jäähtymisnopeuksilla seosaineet pysyvät liuoksessa (syntyy ylikylläinen liuos), erkaumia on vähemmän ja lujittava vaikutus pienenee Vanadiini-titaani 99 100
Mikroseostus vanadiinilla Mikroseostus niobilla Ferriitin raekoon pienentäminen parantaa mekaanisia ominaisuuksia. Menetelmiä Austeniitti -ferriitti faasimuutoslämpötilan laskeminen (esimerkiksi mangaani) Valssauksen aikaisen austeniitin raekoon pienentäminen Perinteinen kuumavalssaus Rekristallisaatio konrolloitu valssaus Perinteisellä kuumavalssauksella päästään myötölujuuteen 415 MPa (0,25% C ja 0,08% V) Niobin lujittava vaikutus perustuu erkaumien muodostumiseen. Erkaumien koko ja määrä Niobi pienentää tehokkaammin raekokoa kuin vanadium, joten niobia tarvitaan pienemmät määrät 0.01% lisäys nostaa lujuutta 35 40 MPa Väärä käsittely (viimeistely korkeassa lämpötilassa ja pieni muokkausaste) voi heikentää sitkeyttä 102 103 Mikroseostus vanadiinilla ja niobilla Molempien seosaineiden käyttäminen saa aikaa vielä paremmat ominaisuudet. Mutta Perinteisessä valssauksessa lujittuminen perustuu suurimmilta osin erkaumien muodostumiseen, jolloin transiitiolämpötila n o u s e e Kontrolloidulla valssauksella saadaan raekoko pienemmäksi ja transiitiolämpötilaa alemmaksi Hiilipitoisuude on tyypillisesti pieni (<0.10%), joten perliittiä syntyy vähän. Tällöin sitkeys, venyvyys ja hitsattavuus paranevat 105 Mikroseostus niobilla ja molybdeenillä Mikrorakenne on joko Ferriittis-perliittinen tai asikulaarista ferriittiä sisältävä Ferrittis-perliittinen Molybdeenin lisääminen ferriittis-perliittiseen niobiteräkseen nostaa myötölujuutta 20-30 MPa 0.1% kohden Asikulaarinen ferritti Acicular Ferrite (Low-Carbon Bainite ) Saadaan syntymään sopivalla seostuksella (<0,08% C ja M n, Mo, B) ja ilmajäähdytyksellä Myötölujuus 415-690 MPa, korkea sitkeys, hyvä hitsattavuus 106
Mikroseostus vanadiinilla ja typellä Vanadiini reagoi mielellään typen kanssa muodostaen VN erkaumia Erkaumat voivat laskea iskusitkeyttä, minkä takia hiilipitoisuutta tyypillisesti pienennetään Erkaumat hienontavat raekokoa Typen käyttäminen ei ole suositeltavaa hitsattavissa teräksissä, sillä se on haitallinen lämpöaltistusvyöhykkseen (HAZ) iskusitkeydelle Mikroseostus Titaanilla on monia vaikutuksia Raekoon hienoneminen Erkaumamien muodostuminen Sulfidien muodon kontrollointi titaanilla Teräksen pitää olla (alumiinilla) tiivistettyä, jotta titaani reagoisi muiden alkuaineiden kuin hapen kanssa 110 111 Mikroseosaineiden vaikutus ferriitin raekokoon 113 Sulkeumien muotokontrolli Ratkaisevia sitkeysominaisuuksien kannalta ovat teräksessä olevat sulkeumat MnS A l 2 O 3 S i O 2 jne. Paitsi sulkeumien määrä, myös niiden koko, muoto ja jakauma ovat tärkeitä. Näihin vaikutetaan ns. sulkeumien muotokontrollin avulla. Tavoitteena sulkeumien määrän vähentäminen, niiden muodon muuttaminen tasa-akseliseksi ja jakauman kontrollointi (sijainti raerajojen sijasta matriisissa) 118
Sulkeumien muotokontrolli Sulkeumien muotokontrolli Senkkainjektointi Toteutetaan injektoimalla konvertterista laskettu, valuun menossa oleva sula (senkassa) kalsiumpitoisilla aineilla (kalsiumpii, -karbidi, -o k s i d i, -fluoridi jne), jotka pääosin nousevat kuonaan Muovattavuus, hitsattavuus ja sitkeysominaisuudet (erityisesti iskusitkeys transitiolämpötilan yläpuolella) paranevat Sulkeumien koko, muoto, rakenne ja jakauma muuttuvat edullisemmiksi Myös lastuttavuus paranee 119 120 Niukkaseosteiset teräkset Niukkaseosteiset teräkset Jaottelu Automaattiteräkset Nuorrutusteräkset Hiiletysteräkset Induktiokarkaistavat teräkset Niukkaseosteiset kuumalujat teräkset 122
Automaattiteräkset Automaattiter äkset kuuluvat lastuttavuudel-taan parannettujen ter ästen ryhmää n. Terästen lastuttavuus voidaan määrittää monin eri tavoin T ärkeimmät määrittelyt perustuvat leikkaavan työ kalun k äyttö i k ään, leikkausnopeuteen, työ s t ö n energian kulutukseen ja saavutettavaan pinnanlaatuun Automattiteräkset ovatkin teräk s i ä, jotka on kehitetty automaattisiin työ s tö koneisiin, joissa tarvitaan kaikkien edell ä mainittujen kriteerien mukaista hyvää työ stettävyyttä. L i s äksi automaattinen ja siten miehittämätö n työs t ö vaatii niukkahiiliselt äkin teräkseltä lastun katkeamista hauraasti Rikki, fosfori, seleeni, telluuri, kalsium, lyijy ja vismuutti 123