Esitiedot Luento 6 Miten terästen karkenevuutta voidaan parantaa? Miten päästölämpötila ja aika vaikuttavat karkaistun rakenteen mekaanisiin ominaisuuksiin? Mitä tarkoittaa päästöhauraus? 2 Esitiedot Epäselviä termejä Sorbite on vanhentunut termi rakeiselle päästömartensiitille Troostite on vanhentunut termi kerrosmaiselle päästömartensiitille Stress on jännitys, ei paine Reversibele = palautuva, palautettavissa oleva Irreversiibeli = peruuttamaton, pysyvä Muista henkilötietosi. Yksi tunnistamaton vastaus Seostamalla eri aineilla... Karkaistuilla teräksillä lujuusarvot... Päästöhauraalla taräksellä... Niukkaseosteiset teräkset 3
Niukkaseosteiset teräkset Niukkaseosteiset teräkset Jaottelu Automaattiteräkset Nuorrutusteräkset Hiiletysteräkset Induktiokarkaistavat teräkset Niukkaseosteiset kuumalujat teräkset Seostettuja teräksiä käytetään pääasiassa lämpökäsiteltyinä (toisin kuin hiiliteräksiä) Tyypillinen hiilipitoisuus 0,25-0,55% Muut tyypilliset seosaineet: M n, Si, N i, Cr, Mo, V, B Tyypillinen mikrorakenne on päästömartensiittinen tai bainiittinen, jotka ovat ominaisuuksiltaan sitkeitä Vastaava mikrorakenne syntyy hiiliteräkseen kun sen ainepaksuus on pieni (karkenevuus taipumus on pieni) Seostaminen kasvattaa karkenemista, mikä puolestaan kuvaa teräksen kykyä muuttua martensiittiseksi (tai bainiittiseksi) Seostaminen ei nosta merkittävästi martensiitin kovuutta ja lujuutta, vaan siihen vaikuttaa oleellisesti hiilipitoisuus 5 6 Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti Austeniitin hajaantumisen tapahtuessa niin nopeasti ettei tasapainorakennetta (ferriitti, perliitti tai näiden seos) ehdi muodostua, tulee rakenteeksi joko B a i n i i t t i a, joka syntyy matalan lämpötilan eutektoidisen reaktion tuloksena tai Martensiittia, joka muodostuu ilman diffuusiota martensiittimekanismilla Bainiitti on ferriitin ja sementiitin eilamellaarinen seos. Korkeissa hajaantumislämpötiloissa muodostuu yläbainiittia, alhaisemmissa alapainiittia Bainiitti 7 8
Martensiitti Y l ä - j a alabainiitti Martensiitti on tetragonaalisesti vääristynyttä hiiliylikyllästeistä ferriittiä eli uusi ferriittiin pohjautuva rakenne, johon hiili on jäänyt pakkotilaan. Martensiitti muodostuu austeniitista alle 220 C lämpötiloissa. Suurilla jäähtymisnopeuksilla eli matalissa austeniitin hajaantumislämpötiloissa ei diffuusio tapahdu riittävän nopeasti, vaan austeniitti hajaantuu leikkautumismekanismilla. Yläbainiitti Sementiittierkaumat ovat ferriitti-liuskojen rajoilla. Kovaa, korkeanlujuuksista ja haurasta. Alabainiitti Runsas dislokaatioisia ferriittiliuskoja, joiden s i s ä l l ä o n sementiittierkaumia. Kohtalainen kovuus sekä erinomaiset lujuus - ja sitkeysarvot. Tärkeä rakenne erikoislujissa nuorrutetuissa rakenneteräksissä. 9 10 Leikkautuminen Austeniitista martensiitiksi Leikkautumismekanismi on hyvin nopea ja martensiittia muodostuu erittäin suurillakin jäähtymisnopeuksilla. Martensiitin ja austeniitin yksikkökopeilla on selvä yhteys Martensiitin tetragonaalisuus riippuu hiilipitoisuudesta Muodostuneen martensiitin kovuus riippuu myös hiilipitoisuudesta Muodostuva martensiitti on usein niin haurasta, että sitä pitää sitkistää päästön avulla (lähes aina). 11 12
13 14 Levy ja sälemartensiitit Kun hiilipitoisuus on korkeampi ja/tai jäähtymisnopeus hitaampi on tuloksena levymartensiittia. Kovaa ja haurasta Taipumus lohkomurtumiseen Matalammalla hiilipitoisuudella ja/tai nopeammalla jäähtymisnopeudella syntyy sälemartensiittia Kovaa, lujaa ja kohtuullisen sitkeää 15 16
Hiilipitoisuuden vaikutus 17 Hiilipitoisuuden vaikutus teräksen kovuuteen ennen päästöä eri martensiittipitoisuuksilla 18 Karkaisun vaiheet Austenointi Jos lämmitys tehdään liian nopeasti, ei austeniitin hiilipitoisuuden ehdi nousta riittävän korkealle. Seurauksena on pienempi kovuus Sen vuoksi nuorrutukseen käytetään yleensä normalisoitua terästä, jolla on tasalaatuinen mikrorakenne ja austenointi onnistuu helpommin Austenointi lämpötila Alieutektoidisilla teräksillä 20-30 C A 3 -rajan yläpuolella Ylieutektoidisilla 30-40 C A 1 -rajan yläpuolella 19 20
Karkaisun vaiheet Karkaisun vaiheet Sammutuksen tarkoituksena on estää austeniitin tasapainon mukainen hajaantuminen ferriitiksi ja perliitiksi tai bainiitiksi. K u n lämpötila alittaa tietyn kriittisen arvon (M s lämpö tila), austeniitti ei hajaannu, vaan muuttuu martensiitiksi S i tä läm pötilaa, jossa kaikki austeniitti on muuttunut martensiitiksi kutsutaan M f -lämpötilaksi M f lämpötila voi olla huoneen lämpötilan alapuolella, jolloin kaikki austeniitti ei hajaannu, vaan rakenteeseen jää jäännösausteniittia 21 Jäännösausteniitti vähentää kovuutta, voi aiheuttaa myöhempiä mittamuutoksia Sammutuksen jälkeen kappale jäähdytetään välittömästi 70 o C tai 2 0 0 o C Soveltuu esim. kovuutta ja mittapitävyyttä vaativille mittavälineille Muut karkaisut Etappikarkaisu. Lämpötilaa tasataan sulasulassa 200-400 o C ennen jäähdytystä M s lämpötilan alapuolelle Bainiittikarkaisu. Sammutus austenointilämpötilasta bainitointikylpyyn (200-400 o C). Pidetään kylvyssä kunnesa austeniitti on hajaantunut 22 Karkenevuus Karkenevuus kuvaa teräkseen karkaisussa syntyvän kovuuden syvyysjakaumaa Jos kovuus kappaleen sisällä on lähes sama kuin pinnalla, on teräs syvään karkeneva Jos kovuus kappaleen sisällä on matala pintaan nähden on teräs huonosti karkeneva Karkenevuus ei ota kantaa karkaisussa syntyvän martensiitin kovuuteen Siihen siis vaikutti hiilipitoisuus Tosin jos martensiittia on paljon on kovuus suurempi, mutta pienellä hiilipitoisuudella martensiitin maksimikovuus on matala 23 Karkenevuus Karkevuuden mittayksikkönä on perustuu jäähtymisnopeuteen ( C/s) Jäähtymisnopeus voidaan puolestaan muuttaa etäisyydeksi kappaleen pinnasta, kun lämmön poistumisnopeus pinnasta ja teräksen lämmönjohtavuus on tiedossa Jominy etäisyys ja ideaalinen kriittinen läpimitta Tärkeimmät karkenevuuteen vaikuttavat tekijät ovat Koostumus Austenointi lämpötila Austeniitin suuri raekoko kasvattaa karkenevuutta (mutta heikentää iskusitkeyttä) 24
Karkenevuus Karkenevuutta voi heikentää Austenoinnin aikana liukenematta jääneet karbidit, sillä ne laskevat austeniitin hiilipitoisuutta ja toimivat muiden kuin martensiitin ydintymiskohtina Suuri karkenevuus ei ole kaikissa tapauksissa ole hyödyllistä Jos ainoastaan pinnan pitää olla kova, voi liian syvä karkeneminen aiheuttaa jäännösjännityksiä ja säröjen syntymistä Seostetut teräksen ovat kalliimpi Karkenuustestit Läpikarkenevuus Tarkastelun kohteena olevalle tangolle (koostumus ja halkaisija) tehdään karkaisukoe halutuilla parametreillä Tangosta valmistetaan poikkileikkaushie Kiillotettu pinta syövytetään, jolloin 50% martensiittipitoisuus näkyy vaaleana alueena (etsi kuva) Tangon katsotaan läpikarenneen jos keskiosan martensiittipitoisuus on vähintään 50% 25 26 Karkenuustestit Jominykoe Normalisoitu tanko austenoidaan ja jäähdytetään vesisuihkulla toiselta otsapinnalta. Tankon pinta hiotaan kovuusprofiilin mittausta varten Tarkemmat tiedot standardista ASTM A 255 Muita testejä Hiilletyskarkaisulle Työkaluteräksille (ilmaan karkeneville) Huonosti karkenevat teräkset (Hot-brine test) ja (Surface -a r e a-center, SAC) 27 28
Karkenevuus Koostumuksen vaikutus karkenevuuteen voidaan selvittää laskennallisesti Grossmann (1942) selvitti useiden karkaisukokeiden avulla teräksen pääasiallisten seosaineiden vaikutuksen karkenevuuteen Kokeiden perusteella voidaan laskea sen tangon paksuus joka muuttuu täysin martensiitiksi Nykyisin käytettävissä useita simulaatioohjelmia Predic & Tech, AC3, C e t i m-s i c l o p, SteCal, Prevert, Chat, M i n i t e c h, Predcarb, Simulan 29 30 Seostaminen Seosaineiden tarkoitus on mahdollistaan karkeneminen pienemmillä jäähtymisnopeuksilla Suuremmat kappaleet saadaan karkenemaan Sammutusväliaineena voidaan käyttää öljyä veden sijasta, jolloin vältytään nopean jäähtymisen aiheuttamista vetelyistä ja halkeilusta Seostaminen Seostamisella on myös muita vaikutuksia Vetokokeessa mitattu poikkipinta -alan pieneneminen on pienempi hiiliteräksestä syntyneelle martensiitille kuin seosteräksessä syntyneelle martensiitille Seostetut teräksen päästetään tyypillisesti korkeammassa lämpötilassa, jolloin jäännösjännitysten laskevat enemmän Seosteräkseen päästössä syntyy tyypillisesti kovempi karbideja kuin hiiliteräksen päästössä Saman kovuuksisen seosteräksen sitkeys on parempi kuin hiiliteräksen 31 32
Joitain seosaineita Mangaani Usein käytetty ja halpa seosaine Kromi Molybdeeni Nikkeli Kallis, mutta erittäin hyödyllinen sitkistävän vaikutuksen vuoksi Boori Erittäin pieni pitoisuus (0,001%) edistää karkenevuutta tehokkaasti tiivistetyissä niukkahiilisissä teräksissä Vaikutusta heikentää happi, typpi, 33 34 1541H C 0,35-0, 4 5 Mn 1, 2 5-1,75 Si 0, 1 5-0,35 1340H C 0,37-0, 4 4 Mn 1, 4 5-2,05 Si 0, 1 5-0,35 Mangaani ja hiilipitoisuuden vaikutus Standardin mukaisen koostumusvaihtelun vaikutus Jominykokeen kovuuskäyrään kuumavalssatun teräksen murtolujuuteen 35 36
Sammutusväliaineet Sammutusväliaineet sammutus tehon mukaan Suolaliuos, natriumhydroksidi liuos V e s i Polymeeriliuokset Öljy Ilma Väliaineen sammutustehoa voidaan kasvattaa sekoituksella Hiili- ja mangaanipitoisuuden vaihtelun vaikutus teräksen 1050 Jominykokeen kovuuskäyrään (Cr pitoisuudet 0,06%, 0,06%, 0,06%, 0,08%) 37 38 Koon vaikutus karkenevuuteen Kun karkenevuus testi(e)n tuloksia sovelletaan käytäntöön huomataan Suureten kappaleiden karkenevan vähemmän vaikka jäähtymisnopeus olisikin sama kuin pienellä kappaleella Syynä voi olla suuren kappaleen jäähtymisen synnyttämät jännitykset jotka vaikuttavat a u s t e n i i t i n hajaantumista tai sammutustehon heikkeneminen koon kasvaessa Tämä huomioidaan seuraavan kalvon kaltaisilla piirroksilla Jominy equivalent hardness (J e h ) 39 40
Myöstö ja päästö Molemmat ovat lämpökäsittelyjä joissa terästä pidetään korotetussa lämpötilassa jonkin aikaa. Tällöin Jäännösjännitykset laukeavat (myöstö) Mikrorakenne muuttuu (päästö) Englannin kielessä myöstöstä käytetään joskus (usein) nimitystä tempering vaikka selvyyden vuoksi pitäisi käyttää termiä stress relieving 41 43 Päästö Rakenne tasolla voidaan havaita seuraavat vaiheet Vaihe I: ε karbidien muodostuminen ja martensiitin hiilipitoisuuden laskeminen (auto tempering, quench tempering) Vaihe II: Jäännösausteniitin hajaantuminen ferriitiksi ja sementiitiksi Vaihe III: ε karbidien ja matala hiilisen martensiitin muuttuminen ferriitiksi ja austeniitiksi (Vaihe IV: Seostuissa teräksissä syntyy seosaineiden karbideja) Päästö Lämpötila vaikuttaa vaiheiden esiintymiseen Vaihe I: 100-250 C Vaihe II: 200-300 C Vaihe III: 250-350 C Mittamuutokset Martensiittin muuttuminen ferriitiksi ja sementiitiksi pienentää tilavuutta Jäännösausteniitin muuttuminen ferriitiksi ja sementiitiksi kasvattaa tilavuutta 44 45
Mittamuutokset Päästö Lujuus ja kovuus laskevat päästön aikana sitä enemmän mitä Korkeampi lämpötila Kovuus laskee tasaisesti lämpötilan noustessa Pidempi aika Järkevillä lämpökäsittely ajoilla (>10 min) kovuus alenee tasaisesti ajan logaritmiin nähden (Seosteräksillä kovuus voi nousta seoskarbidien muodostuessa) Murtovenymä ja muut sitkeysarvot paranevat Tiedot löytyvät päästökäyrästä (nuorrutuspiirroksesta) 46 47 48 49
Päästö Karbideja muodostavat seosaineet (C r, Mo, W, V, Ta, Nb, Ti) nostavat kovuutta päästön aikana. Muut seosaineet (Ni, Si, Al, Mn) voivat nostaa kovuutta liuoslujittamalla ferriittiä ja pienentämällä raekokoa Seosaine karbidejen vaikutus näkyy parhaiten korkeassa lämpötilassa tehtävässä päästössä Yhdistämällä eri lämpötiloissa karbidemuodostavia seosaineita saadaan kovuus pysymään lähes samana kaikissa päästölämpötiloissa 50 51 C 0,35% C r 5% M o 1.5% V 0.4% 52 53
Päästöhauraus Päästölämpötilan nostaminen kasvattaa murtovenymää lineaarisesti kun taas iskusitkeys voi laskea Iskusitkeyden alenemisesta käytetään nimitystä (alempi)päästöhauraus (tempered martensite embrittlement, T M E ) Ilmiö tapahtuu tyypillisesti lähellä 300 C Syynä voi olla austeniitin raerajoille kertyneiden epäpuhtauksien aiheuttama s e m e n t i i t i n muodostus ja/tai s e m e n t i i t i n muodostuminen martensiittin raerajoille Alempi päästöhauraus 54 55 Päästöhauraus Ylempi päästöhauraus Teräksen transiitiolämpötila nousee jos sitä pidetään pitkään lämpötila-alueella 375-575 C. Ilmiöstä käytetään nimitystä ylempi päästöhauraus (temper embrittlement) Pienet pitoisuudet tinaa, antimonia, fosforia yhdessä seosaineiden (kromi ja/tai mangaani) altistavat ylemmälle päästöhauraudelle Syynä ajatellaan olevan edellämainittujen aineiden k e r t y m i n e n austeniitin raerajoille 56 57
Ylempi päästöhauraus Nuorrutusteräkset Yleisominaisuutena nuorrutusteräksillä on hyvät lujuus- ja sitkeysominaisuudet yhtyneenä samaan materiaaliin. Erityispiirteenä on hyvä väsymiskestävyys. Nuorrutusteräkset jaetaan eri ryhmiin seostuksen perusteella: Hiiliteräkset C = 0.3-0.5 % C - M n- teräkset C = 0.38-0.45 %, Mn = 1.1-1.4 % C r- Ni- teräkset C = 0.25-0.45, C r = 0.5-2 %, Ni = 1-2 % C r- M o - teräkset C = 0.3-0.45 %, C r = 0.9-1.2 %, M o = 0.15-0.25 % C r- M o - Ni- teräkset C = 0.22-0.39 %. C r = 0.9-1.6 %, M o = 0.15-0.25 %, Ni = 0.3-1.6 % C r- V- teräkset C = 0.25-0.5 %, C r = noin 1 %, V = noin 0.1 % Si- M n- teräkset C = 0.4-0.7 %, Si = 0.8-2 %, M n = 0.6-1.1 % Transiitiolämpötilan muuttuuminen teräkselle 3140 58 59 Nuorrutusteräkset Nuorrutusteräkset valitaan yleensä lujuuden tai karkenevuuden perusteella. Koneistettavuus edellyttää yleensä pehmeäksihehkutusta ja koneistus suoritetaan ennen nuorrutusta. Hitsattavuus yleensä heikko Käyttökohteina erityisesti pyörivät konekomponentit Akselit, hammaspyörät Myös työkaluja Kirveet, lekat, vasarat Nuorrutuspiirros 60 61
Hiiletysteräkset Pienehköille kappaleille, joiden pintakerroksessa tarvitaan kovuutta ja hyvää kulumis- tai väsymiskestävyyttä, mutta sisustan tulee pysyä pehmeänä ja sitkeänä N i u k k a - tai keskihiilisiä teräksiä, joissa nykyisin myös kromia, nikkeliä ja molybdeeniä Periaatteessa koostumus kuten nuorrutusteräksellä, mutta pienempi hiilipitoisuus (paitsi hiilletyksen jälkeen pinnassa) Hiilletysteräkset Hiiletyksessä pinnan hiilipitoisuutta kohotetaan hehkuttamalla terästä hiiltä luovuttavassa atmosfäärissä Hiili kulkeutuu diffuusion välityksellä pinnasta kappaleen sisäosiin Pinnassa oleva korkeamman hiilipitoisuuden kerros muuttuu karkaisussa kovaksi martensiitiksi, kun taas hiilipitoisuudeltaan alhainen sisusta jää pehmeäksi ja sitkeäksi Karkaisussa pintaan muodostuu myös väsymiskestävyyden kannalta edullinen puristusjännitys martensiitin suuremman ominaistilavuuden vuoksi 62 63 Hiiletysteräkset Induktiokarkaistavat teräkset Voivat olla hienoraekäsiteltyjä teräksiä, joita on lisäksi seostettu austeniitin rakeenkasvutaipumuksen rajoittamiseksi hiiletyksessä Tyypillinen koostumus 0.17 %C, 1.5 %Cr, 1.55 %N i ja 0.3 % Mo Käyttökohteina hammaspyörät, niveltapit ja -holkit, lyhyet akselit jne Yleensä booriseosteisia teräksiä Booria käytetään teräksen seosaineena pääasiassa karkenevuuden kasvattamiseksi Vaikutus jo pieninä pitoisuuksina Halvempia seostettuihin teräksiin verrattuna Suuremmilla pitoisuuksilla (B > 0.005%) muodostuvat, raerajoille asettuvat rautaboridit alentavat sitkeyttä Myös pieni (0,1-0,2%) hiilipitoisuus on otollinen 64 65
66 67 Pintakarkaisu Boori vaikuttaa austeniitin hajaantumista hidastavasti (suotautuminen raerajoille austeniitissa + borokarbidien erkautuminen); ferriitin ydintyminen estyy Boori on voimakas nitridin ja oksidin muodostaja Boorin pitämiseksi liuoksessa booriteräkset seostettava (tiivistettävä) alumiinilla, titaanilla, zirkoniumilla jne Karkenevuus pienenee austeniitin raekoon kasvaessa Perustyyppi hiilimangaaniteräs (hiili välillä 0.15-0. 4 %, M n välillä 0.8-1. 6 5 % ) Lisäksi Ti, V, Z r, Al. Esim. 0.18 % C, 1 % M n, 0.25 % Si, 0.003 % B Rp = 800 MPa, R m = 900 MPa 68 Niukkaseosteiset kuumalujat teräkset Tavallisesti niukka- tai keskihiilisiä, seosaineina pääasiallisesti kromi ja molybdeeni Hiilipitoisuus luokkaa 0.15-0.2 %, Cr n. 1 %, Mo n. 0.5 % Pääasiallinen lujuusvaikutus liuoslujittumisen kautta Käyttölämpötila -alue 550 C- a s t e e s e e n s a a k k a Kehitysversiona kromipitoisuuden kasvattaminen: 9 % Cr ja 12 % Cr sekä n. 1.5-2 % Mo sisältävät teräkset alkavat jo kuulua seostettujen teräslajien sarjaan Hiilipitoisuus hitsattavuuden turvaamiseksi matala Käyttökohteina ennen kaikkea voimalaitoskattiloiden lämmönvaihdinpinnat (vesiseinät, tulistimet, lämmönvaihtimet jne) 69
Valmistajia ja tukkureita Rautaruukki www.rautaruukki.fi Imatrasteel www.imatrasteel.com Ovako www.ovako.com Böhler Sten www.sten.fi Starckjohann Steel www.starckjohannsteel.fi Tibnor www.tibnor.fi Uddeholme www.uddeholm.fi Teräsrenki www.terasrenki.com 70