Lämpökäsittelyoppi
Esipuhe Metallit ovat kiehtova materiaaliryhmä erityisesti siksi, että niiden ominaisuudet ovat muunneltavissa hyvin laajasti. Metalleja voidaan seostaa keskenään, mutta ennen kaikkea niiden ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa erilaisin lämpökäsittelyin. Ainutlaatuinen on teräs, raudan ja hiilen seos. Hiilipitoisuudella on erittäin suuri vaikutus teräksen tärkeisiin ominaisuuksiin, lujuuteen ja sitkeyteen. Hiiliatomien vuorovaikutus rauta-atomien kanssa vaihtelee eri lämpötiloissa ja antaa perustan terästen lämpökäsittelyille kuten karkaisulle ja erilaisille hehkutuksille. Seostamalla muita metalleja teräkseen voidaan lämpökäsittelyjä hallita ja ohjata erittäin tarkasti. Lämpökäsittely voidaan kohdistaa vain teräskappaleen pintaan, jolloin sisustan ja pinnan ominaisuuksista saadaan haluttaessa erilaisia, esimerkiksi kova ja kulutusta kestävä pinta ja pehmeämpi ja sitkeämpi sisus. Lämpökäsittelyillä voidaan ratkaisevasti parantaa rakenteiden ja koneenosien käyttöikää kulumiselle, väsymiselle ja korroosiolle alttiissa olosuhteissa. Tärkeä osa metalliteollisuuden valmistustekniikkaa on lämpökäsittelytekniikka, jota hyödynnetään suomalaisessa metalliteollisuudessa hyvin laajalti ja moderneja lämpökäsittelyyn erikoistuneita yrityksiä on Suomessa useita. Lämpökäsittelytekniikkaa opetetaan myös useassa yliopistossa, korkeakoulussa ja ammattikorkeakoulussa. Sopivan suomenkielisen oppimateriaalin puute onkin ollut alan koulutuksen puute. Oppikirjoina on jouduttu käyttämään englanninkielisiä kirjoja, jolloin vieraskielinen termistö on usein aiheuttanut vaikeuksia oppimisessa. Suomenkielistä kirjallisuutta on ollut niukasti, tieto on ollut hajallaan eri teoksissa ja se on osittain myös vanhentunutta. Teknologiateollisuus ry:ssä toimivassa Lämpökäsittelyn toimialaryhmässä esitettiin ajatus suomenkielisen, ajan tasalla olevan lämpökäsittelytietouden kokoamisesta yksiin kansiin. Lämpökäsittelyopin toivotaan toimivan niin opiskelijoiden hakuteoksena kuin myös teollisuuden suunnittelu- ja tuotantotehtävissä toimivien henkilöiden jokapäiväisenä työkaluna. Kirjassa esitetään lämpökäsittelyiden metalliopillisia perusteita, eri lämpökäsittelymenetelmiä, kuumennus- ja suojakaasutekniikkaa, lämpötilan mittausta ja säätöä sekä lämpökäsittelyn laatuun liittyviä asioita. Kirja painottuu terästen lämpökäsittelyihin, mutta myös muiden metallien lämpökäsittelyitä esitellään. Kirjan sisällön kokoamisesta on vastannut professori Seppo Kivivuori Teknillisen korkeakoulun Materiaalien muokkauksen ja lämpökäsittelyn laboratoriosta. Seppo Härkönen Imatra Steeliltä on vastannut pääosin luvun 11 ja osittain myös lukujen 4, 6, 10 ja 18 sisällöstä. Lämpökäsittelyn toimialaryhmän hallitus osallistui aktiivisesti kirjan sisällön tarkastamiseen ja muokkaamiseen. Kirjan laadinnassa mukana olivat: DI Kari Helander, Bodycote Lämpökäsittely Oy DI Seppo Härkönen, Imatra Steel Oy Ab DI Matti Johansson, Componenta Oyj Prof. Seppo Kivivuori, Teknillinen korkeakoulu DI Antti Piensoho, Stén & Co Oy Ab TkT Juhani Uitti, Imatra Steel Oy Ab DI Fredrik Wikström, Sarlin Oy Ab Sarlin Furnaces DI Jouko Virta, VTT Tuotteet ja tuotanto DI Antti Karppinen, Teknologiateollisuus ry DI Mika Vartiainen, Teknologiateollisuus ry Lämmin kiitos mukana olleille panoksestanne kirjan laadinnassa. Helsingissä heinäkuussa 2004 Lämpökäsittelyn toimialaryhmä Teknologiateollisuus ry
Sisällysluettelo 1 Lämpökäsittelyn perusteet... 10 1.1 Metallien rakenne... 10 1.2 Hilaviat... 11 1.3 Metalliseosten tasapainopiirrokset... 12 1.3.1 Rauta-hiili -tasapainopiirros... 14 1.3.2 Kriittiset lämpötilarajat... 17 1.4 Metallien lujuus ja sitkeys... 18 1.4.1 Faasimuutokset... 18 1.4.2 Liuoslujitus... 19 1.4.3 Erkautuslujitus... 20 1.4.4 Raekoon vaikutus sitkeyteen ja lujuuteen... 21 2 Austeniitin muodostuminen ja hajaantuminen... 25 2.1 Austenitoituminen... 25 2.2 Austeniitin hajaantuminen... 26 2.2.1 Perliitin muodostuminen ja rakenne... 26 2.2.2 Martensiitin muodostuminen ja rakenne... 28 2.2.3 Bainiitin muodostuminen ja rakenne... 31 2.3 S-käyrät... 32 3 Hehkutukset... 37 3.1 Kuumamuokkaus... 37 3.2 Diffuusiohehkutus... 39 3.3 Normalisointi... 39 3.4 Pehmeäksihehkutus... 41 3.4.1 Austeniitin ja perliitin hajaantuminen sferoidiitiksi... 42 3.4.2 Palloutusmenetelmät... 42 3.5 Isotermiset hehkutukset... 44 3.5.1 Isoterminen perliittihehkutus... 44 3.5.2 Patentointi... 45 3.6 Myöstöhehkutus... 45 3.7 Rekristallisaatiohehkutus... 46 3.8 Vedynpoistohehkutus... 46 4 Karkaisu ja karkenevuus... 49 4.1 Kappaleiden kuumennus karkaisulämpötilaan... 51 4.2 Sammutus... 52 4.2.1 Sammutusväliaineet... 52 4.3 Päästö... 56 4.4 Kappaleen mittamuutokset karkaisussa... 57 4.5 Etappi- ja bainiittikarkaisu... 58 4.5.1 Etappikarkaisu... 59 4.5.2 Bainiittikarkaisu... 59 4.6 Karkenevuus... 60 4.6.1 Karkenevuuden mittaaminen... 62 4.6.2 Jominykoe... 62 4.7 Lämmönsiirto karkaisussa... 64 4.8 Lämmönsiirtokertoimen määrittäminen... 66 4
5 Työkaluterästen karkaisu... 70 5.1 Työkaluteräkset... 70 5.1.1 Kylmätyöteräkset... 70 5.1.2 Kuumatyöteräkset... 71 5.1.3 Pikateräkset... 72 5.2 Normalisointi... 73 5.3 Pehmeäksihehkutus... 73 5.4 Myöstöhehkutus... 74 5.5 Työkaluterästen karkaisu... 75 5.5.1 Karkaisuhehkutus... 75 5.5.2 Sammutus... 76 5.5.3 Päästö... 76 5.6 Mittamuutokset karkaisussa... 79 5.6.1 Kappaleeseen karkaisussa syntyviä jännityksiä... 79 5.6.2 Mittamuutosten vähentäminen... 80 5.6.3 Kutistumattomat teräkset... 80 5.7 Pikateräksen karkaisu... 82 5.7.1 Kuumennus... 82 5.7.2 Karkaisuhehkutus... 82 5.7.3 Sammutus... 83 5.7.4 Päästö... 83 5.7.5 Bainiittikarkaisu... 83 5.8 Erkautuskarkaisu... 84 5.8.1 Maraging-terästen karkaisu... 84 5.8.2 Superseokset... 85 5.9 Työkaluteräksille suositeltavia kovuusarvoja... 85 6 Nuorrutus... 87 6.1 Päästöhauraus... 88 6.1.1 Alempi päästöhauraus... 89 6.1.2 Ylempi päästöhauraus... 89 6.1.3 Päästöhaurauden ehkäiseminen... 91 6.2 Nuorrutusteräkset... 91 6.2.1 Jominypiirroksen käyttö nuorrutusteräksen valinnassa. 93 6.2.2 Muita nuorrutusterästen valintaan ja käsittelyyn liittyviä näkökohtia... 93 6.2.3 Sälemartensiittiset nuorrutusteräkset... 95 6.3 Booriteräkset... 97 7 Kaksifaasiteräkset... 99 7.1 Kaksifaasiteräksen valmistus... 99 7.2 Jatkuvan jäähtymisen S-käyrä... 101 7.3 Ferriittis-martensiittisesta rakenteesta poikkeavat teräkset... 102 7.4 Kemiallinen koostumus... 103 7.5 Ominaisuudet... 107 7.6 Muovattavuus... 108 7.7 Kaksifaasiteräksen käyttö... 108 7.8 Mikrorakenne... 108 5
8 Pintakäsittely- ja pinnoitusmenetelmät... 110 8.1 Kuluminen ja tribologia... 110 8.2 Hertzin kosketusjännitykset... 111 8.3 Adhesiivinen kitka... 112 8.4 Pintakarkaisumenetelmät... 113 8.4.1 Induktiokarkaisu... 114 8.4.2 Laserpintakarkaisu... 116 8.4.3 Hiiletyskarkaisu... 117 8.4.4 Typetys... 118 8.4.5 Booraus... 119 8.5 Pinnoitusmenetelmät... 119 8.5.1 Elektrolyyttiset pinnoitukset... 119 8.5.2 Kaasufaasipinnoitus... 119 8.5.3 Timanttipinnoitteet ja timantinkaltaiset pinnoitteet... 122 8.5.4 Pinnoitteiden sovelluskohteita... 122 9 Uunien kuumentaminen ja suojakaasuatmosfäärit... 124 9.1 Uunien kuumennusmenetelmät... 124 9.2 Palaminen... 124 9.3 Lämmönsiirto uuneissa... 125 9.4 Uuniatmosfäärin haitalliset ilmiöt... 126 9.4.1 Terästen pinnan hapettuminen... 126 9.4.2 Hiilenkato... 129 9.4.3 Vetysairaus ja -hauraus... 132 9.5 Erilaiset uuniatmosfäärit... 133 9.5.1 Endokaasut... 134 9.5.2 Eksokaasut... 135 9.5.3 Inertit suojakaasut... 135 9.5.4 Muut uuniatmosfäärit... 136 9.5.5 Hiiletysatmosfäärit... 137 9.5.6 Typetysatmosfäärit... 137 9.6 Uuniatmosfäärien mittaus- ja säätö... 138 10 Hiiletyskarkaisu... 141 10.1 Hiiletys... 141 10.2 Karkaisu ja päästö... 144 10.3 Hiiletysmenetelmät... 145 10.4 Hiiletyskarkaistun kappaleen ominaisuudet... 147 10.4.1 Pinnan ja sisustan ominaisuudet... 147 10.4.2 Hiiletyskarkaisukerroksen syvyys... 149 10.4.3 Mitta- ja muodonmuutokset... 150 10.5 Hiiletysteräkset... 151 10.6 Hiilipotentiaalin mittaus ja säätö kaasuhiiletyksessä... 152 10.6.1 Happipotentiaalin mittaus... 155 10.6.2 Pinnan hiilipitoisuuden määräytyminen... 157 10.6.3 Ylihiiletys-tasaushiiletys... 158 10.7 Panostus kaasuhiiletyksessä... 159 10.8 Kaasuhiiletysuunit... 159 6
11 Typetys... 162 11.1 Typetysmenetelmät... 162 11.2 Typetetyn pinnan rakenne ja ominaisuudet... 165 11.3 Typetettyjen kappaleiden ominaisuudet... 169 11.4 Typetysprosessin ohjaus ja säätö... 174 11.5 Typetysteräkset... 175 11.6 Yhteenveto ja johtopäätökset... 176 12 Alipainekäsittelyt ja kaasusammutus... 178 12.1 Alipainekarkaisu... 179 12.2 Tyhjöliittäminen... 179 12.3 Alipainehiiletys... 180 12.4 Kaasusammutus... 182 12.4.1 Kaasusammutuksen teoriaa... 183 12.4.2 Kaasun valinta... 183 12.5 Kaasusammutuksella varustetut alipaineuunit... 185 12.6 Erilaisia laitteistoratkaisuja... 187 12.6.1 Kaasun kierrätys ja jäähdytys... 188 12.6.2 Kaasun virtaus ja uunityypit... 188 13 Ohutlevyteräkset ja niiden lämpökäsittelyt... 191 13.1 Muovattavat teräkset... 192 13.2 Välisijavapaat teräkset... 194 13.3 Lujat teräkset... 195 13.3.1 HSLA-teräkset... 196 13.3.2 Kontrolloitu valssaus... 198 13.3.3 Lämpölujittuva teräs... 200 13.3.4 Valssauskovat ja toivutushehkutetut teräkset... 201 13.4 Erikoislujat teräkset... 202 13.4.1 Kaksifaasiteräkset... 203 13.4.2 TRIP-teräkset... 205 14 Valurautojen ja valuterästen lämpökäsittelyt... 208 14.1 Suomugrafiittivalurauta... 208 14.2 Tylppägrafiittivalurauta... 210 14.3 Pallografiittivalurauta... 210 14.3.1 Pallografiittivaluraudan lämpökäsittelyt... 211 14.3.2 Pallografiittivaluraudan nuorrutus... 213 14.4 Bainiittinen ja ausferriittinen pallografiittivalurauta... 214 14.4.1 Ylä- ja alabainiitti... 214 14.4.2 Jäännösausteniitti... 215 14.4.3 Austemperointi... 216 14.5 Valkoinen valurauta... 217 14.6 Tempervalurauta... 217 14.7 Seostetut valuteräkset... 218 7
15 Ruostumattomien terästen lämpökäsittelyt... 220 15.1... 220 15.2 Herkistyminen ja raerajakorroosio... 222 15.3 Austeniittiset ruostumattomat teräkset... 224 15.3.1 Austeniittisten ruostumattomien terästen peruslämpökäsittelyt... 224 15.3.2 Työstökarkeneminen... 225 15.4 Ferriittiset ruostumattomat teräkset... 226 15.5 Martensiittiset ruostumattomat teräkset... 227 15.6 Ruostumattomien terästen erikoislämpökäsittelyt... 229 15.6.1 Hiiletyspintakarkaisu... 229 15.6.2 Matalan lämpötilan hiiletys... 229 16 Alumiinien ja kuparien lämpökäsittelyt... 231 16.1 Alumiini ja alumiiniseokset... 231 16.1.1 1xxx-sarja... 232 16.1.2 2xxx-sarja... 232 16.1.3 3xxx-sarja... 232 16.1.4 4xxx-sarja... 232 16.1.5 5xxx-sarja... 233 16.1.6 6xxx-sarja... 233 16.1.7 7xxx-sarja... 233 16.2 Alumiiniseosten lämpökäsittelyt... 233 16.2.1 Erkautuskarkaisu... 234 16.3 Kuparin ja kupariseosten lämpökäsittelyt... 235 16.3.1 Pehmennyshehkutus ja jännitystenpoistohehkutus... 238 16.3.2 Kupariseosten erkautuskarkaisu... 240 16.3.3 Uuniatmosfääri... 241 17 Lämpötilan mittaus ja säätö... 242 17.1 Sähköinen lämpötilan mittaus... 243 17.1.1 Termoelementit... 243 17.1.2 Termoelementtimittauksen rajoituksia... 248 17.1.3 Lämpötila-antureiden mittausnopeus eli toistoaika... 249 17.2 Optinen lämpötilan mittaus... 249 17.2.1 Säteilypyrometrit... 250 17.2.2 Osittaissäteilypyrometrit... 251 17.2.3 Kokonaissäteilypyrometrit... 251 17.2.4 Suhdepyrometrit... 252 17.2.5 Pyrometrimittausten rajoituksia... 253 17.2.6 Infrapuna-lämpömittari... 253 17.3 Lämpötilan mittauksessa huomioon otettavia seikkoja... 254 17.4 Mittauslaitteiden tarkistus... 256 17.4.1 Termoelementin tarkistus... 256 17.4.2 Pyrometrien tarkistus... 256 17.5 Lämpötilan säätö... 257 17.5.1 On/ei-säätö... 257 17.5.2 PID-säätö... 258 8
18 Lämpökäsittelyn laatu... 260 18.1 Lämpökäsittelyn laatu... 260 18.1.1 Laatujärjestelmä... 260 18.1.2 Laatujohtaminen... 260 18.1.3 Laadun varmistus... 260 18.1.4 Laadunohjaus... 261 18.1.5 Laadun valvonta ja tarkastus... 261 18.1.6 Vastuu laadusta... 261 18.2 Materiaalin vastaanotto... 261 18.3 Lämpökäsittelyn laatusuunnitelma... 262 18.4 Lämpökäsittelyprosessin aikainen laadunvalvonta... 264 18.4.1 Uunin lämpötila, lämmön tasaisuus ja pitoaika... 264 18.4.2 Uunissa tapahtuvat mahdollisesti haitalliset kemialliset reaktiot... 265 18.4.3 Jäähtymislämpötila ja -aika... 266 18.4.4 Lämpökäsittelyprosessien tietokoneavusteinen ohjaus. 266 18.4.5 Jäähdytys... 268 18.5 Lämpökäsittelyn jälkeiset tarkastukset... 268 18.5.1 Metallografiset tarkastukset... 269 18.5.2 Aineenkoetus ja tarkastukset... 269 18.6 Karkenemissyvyyden määrittäminen... 275 18.6.1 Induktiokarkaisu... 276 18.6.2 Typetys... 276 18.6.3 Hiiletyskarkaisu... 276 19 Lämpökäsittelyyn liittyvä standardisointi... 278 19.1 SFS-standardit... 278 19.2 Eurooppalainen standardisointi... 278 19.2.1 Yleisstandardit... 278 19.2.2 Testaus... 279 19.2.3 Turvallisuusstandardit... 279 19.3 Vahvistetut eurooppalaiset standardit... 279 Hakemisto... 282 9