KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés

17. lecke: A szerkezeti anyagok tulajdonságainak megváltoztatási lehetőségei. Hőkezelés

|  | Mitől függ a szerkezeti anyagok tulajdonsága Milyen lehetőségek vannak a szilárdság növelésére Hogyan befolyásolja a hidegalakítás a fémek szilárdsági tulajdonságait A hőkezelés elvi idő - hőmérséklet diagramja A hőkezelések fémtani alapja Felhevítés, a felhevítés közben a munkadarab és a kemence atmoszféra kölcsönhatása A hőntartás célja Lehűtés, hűtőközegek
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | jellemezni az ötvözés és hidegalakítás hatásait definiálni a hőkezelés fogalmát jellemezni a hőkezelés folyamatát és annak hatásait kiválasztani a hőkezelést jellemző helyes állításokat
|  | A szerkezeti anyagok tulajdonságainak megváltoztatási lehetőségei
|  | A fémek tulajdonságainak megváltoztatási lehetőségei
|  | A fémek tulajdonságait az összetételük, a szerkezetük és a feszültség állapotuk határozza meg. Igen sok esetben szükség van a tulajdonságok megváltoztatására annak érdekében, hogy a felhasználási célnak leginkább megfelelő tulajdonsággal rendelkező szerkezeti anyagot nyerjük.
|  | A tulajdonság megváltoztatás célja lehet
|  | a mechanikai tulajdonságok megváltoztatása fizikai tulajdonságok megváltoztatása stb.
|  | A tulajdonság változtatási eljárások között kiemelt jelentősége van a szilárdság, illetve az azzal összefüggő terhelhetőség növelésének.
|  | A fémek esetében a szilárdság növelése lehetséges módszerek az:
|  | ötvözés hidegalakítás (felkeményedés) hőkezelés
|  | Ötvözés
|  | A szerkezeti anyagok szilárdságnövelésének a leggyakrabban alkalmazott módszere az ötvözés. Az ötvözéshez hasonló módszerek a polimerek, kerámiák gyártásánál is megtalálhatók.
|  | Az ötvöző elemek a fémekben:
|  | szilárd oldatot, vegyületet képezhetnek két- és többfázisú szövetelemeket (eutektikum, eutektoid)
|  | de minden esetben növelik a szilárdságot.
|  | A hidegalakítás hatása
|  | Ha egy fémet a folyáshatárnál nagyobb feszültséggel terheljük, maradó alakváltozást szenved. A maradó alakváltozás eredményeként, megváltozik a fém állapota azaz felkeményedik.
A felkeményedés a különböző fémeknél különböző, de minden fém esetében létezik, és lehetőség a szilárdság növelésére. |  |
1. ábra. Különböző C tartalmú acélok szakítószilárdságának (Rm) és folyáshatárának (ReH) változása az alakítás mértékének függvényében
2. ábra. Különböző alumínium ötvözetek szakítószilárdságának (Rm) és folyáshatárának (Rp0,2) változása az alakítás mértékének függvényében
|  | Az 1. és 2. ábrákon látható, hogy a hidegalakítás mértékének növelésére a szilárdsági jellemzők növekednek. Az ábrákon az is látható, hogy az alakítás hatása erőteljesebben növeli a folyáshatárt, mint a szakítószilárdságot. Ezt már az 1. modul 2. leckéjében a hidegen alakított anyagok szakítódiagramjánál említettük.
|  | Hőkezelés
|  | A hőkezelés egy tervszerűen megválasztott hőmérsékletváltoztatási folyamat, mely felhevítésből, hőntartásból és lehűtésből áll, és célja a munkadarab szövetszerkezetének illetve feszültségállapotának tudatos megváltoztatása, az előírt tulajdonságok elérése céljából.
|  | Hőkezelés közben a szerkezeti anyag szilárd halmazállapotú, részlegesen sem olvad meg, tehát a hőkezelést csak a szolidusznál kisebb hőmérsékleten végezzük!
3. ábra. A hőkezelés hőmérséklet-idő diagramja
A hőmérsékletkülönbségek okával és hatásával később foglalkozunk. |  | Az ábra a kemence illetve a kemencébe helyezett darab hőmérsékletének változását mutatja az idő függvényében. Az első szakaszban (felhevítés) a darab berakásakor a kemence hőmérséklete csökken. A darab felülete és magja nem egyforma sebességgel hevül, hőmérséklet különbségek alakulnak ki. A második szakasz a hőntartás, majd a darab lehűtése következik, amikor ismét különbség van a felület és a mag között.
|  | A hőkezelés alapja lehet:
Az ausztenit egyensúlyitól eltérő átalakulásai, a perlit, a bainit és a martenzit nagyon különböző anyagtulajdonságokat eredményezhetnek. |  | az allotróp átalakulások befolyásolása, az eutektoidos folyamat egyensúlyitól való eltérítése (vasötvözetek)
A legtöbb szilárd oldat oldóképessége csökken a hőmérséklettel. Az oldhatatlan fázis kiválása diffúzióval lehetséges. Ha azonban gyorsan hűtöm a darabot nincs lehetőség a diffúzióra és egy túltelített, feszültségekkel terhelt anyagot kapok. Gyakran alacsony hőmérsékleten, nagyon finom formában kiválik a másodlagos fázis és ez kedvező tulajdonságokat biztosít. Ezt az alumíniumötvözetek hőkezelésénél fogjuk tárgyalni. |  | a szilárd állapotban végbemenő oldódás és kiválás befolyásolása
Lehetséges a többféle mechanizmus együttes alkalmazása. Gyakran még a hidegalakítás hatása is felhasználható. |  | a diffúzió, a szilárd állapotban bekövetkező oldódás , ötvözés tudatos kihasználása feszültségmentesítés
|  | A hőkezelés során lejátszódó folyamatok
|  | A hőkezelési folyamatok során a darab és a környezet között hőcsere van. A hőátadási együttható a tárgy és a környezet között az az időegység alatt felületegységenként kilépő hőmennyiség, amely a felületre merőlegesen belép a darabba vagy kilép a darabból. A hőcsere megvalósulhat:
|  | hővezetéssel, hőáramlással, hősugárzással.
|  | Az időegységenként átadódó hőmennyiség függ a darab és a környezet hőmérséklet különbségétől. Mivel ez a különbség idővel egyre kisebb a felmelegedés vagy a lehűlés sebessége exponenciális görbe szerint változik.
|  | A hővezetés szilárd testekre jellemző, a hőcsere a szomszédos nyugalomban lévő részecskék között megy végbe. Függ a darab anyagának hővezető képességétől. A hővezetőképesség a színfémek esetében a legnagyobb. Az ötvözők a hővezetőképességét csökkentik. Természetesen befolyásolja az anyag állapota is és nem utolsó sorban a hőmérséklet.
|  | A hőáramlás során a gáz vagy cseppfolyós részecskék áramlása útján jön létre a hőcsere. Az áramlás lehet szabad vagy kényszeráramlás. A kényszeráramlás esetén jóval nagyobb a hőátadás.
|  | A hősugárzás olyan hőátadás ahol a darab valamely test által kisugárzott energiát nyeli el. Mivel a folyamat energia hordozó nélkül megy végbe a hő ezen a módon vákuumban is terjed. A hőkezelő berendezésben (kemencében) a darabok elsősorban hőáramlás és sugárzás útján melegszenek fel.
|  | A munkadarabok hevítése
4. ábra. A munkadarab hőmérsékletének változása a felhevítés és a lehűtés során
|  | A felhevítés során a darab felületének és belsejének hőmérséklete eltérő. Ez a különbség belső feszültségekhez, kialakulásához vezethet. A túl gyors hevítés hatására kialakuló feszültségek a nagyobb hőmérsékleten kisebb szilárdságú anyag repedését okozhatják.
|  | Az elhúzódások, repedések kialakulásának elkerülésére szakaszos felhevítést alkalmaznak.
|  | A lépcsőkön megvárják amíg a felület és a mag hőmérsékletkülönbsége kiegyenlítődik. A lépcsők száma és hőmérséklete az anyagminőségtől és a darab méretétől függ.
|  | A felület és a mag közötti hőmérséklet különbséget befolyásoló tényezők:
|  | A munkadarab és a kemence közötti hőmérséklet különbség A hevítés sebessége A munkadarab hővezető képessége A munkadarab mérete A hőátadás módja
|  | A munkadarabok hőntartása
A hőkezelési műveletek során a kemence atmoszféra és a darab között vegyi folyamatok is lejátszódnak. |  | A hőntartás célja: A hőmérséklet különbségek kiegyenlítése A fémtani folyamatok lejátszódása (pl. ausztenitesedés) A kemencében lejátszódó folyamatok: Oxidáció Dekarbonizáció Tudatos összetétel változtatás
|  | Az oxidáció a hőmérséklet növelésével rohamosan gyorsul A felületen 200-300 C° fölött vékony különböző színű oxidhártya képződik(futtatási színek), de 600 C° fölött már vastagabb rideg, oxidhártya keletkezik (reveréteg). A reveréteg kialakulásban fontos szerepe van az időnek is.
|  | A dekarbonizáció, elszéntelenedés 700 C° fölött következhet be. A darab felületéből a C a környezetbe vándorol. A dekarbonizáció lehet részleges vagy teljes. Következménye, hogy a darab felületén a C tartalom lecsökken és nem edződik megfelelő keménységűre, továbbá a kisebb szilárdságú, húzófeszültséggel terhelt rétegben nő a köszörülési repedések megjelenésének lehetősége. Különösen veszélyes ez a nagy C tartalmú szerszámacélok esetében, ahol a kis C tartalmú dekarbonizálódott réteg nem edzhető megfelelő keménységűre.
|  | A tudatos összetétel változtatás a felületi hőkezeléseknél fordul elő, ott tárgyaljuk részletesen.
|  | A munkadarabok lehűtése
|  | A lehűtés az izzítási hőmérsékletről szobahőmérsékletre szabályozottan történik. A lehűtés sebességét az elérni kívánt szövetszerkezeti változás határozza meg.
|  | A lehűtési sebesség főbb formái:
A lehűlés sebessége elsősorban a hűtőközeg hővezető képességétől függ. Legkisebb a levegő utána az olaj, sóolvadékok, vizes emulziók és a víz hűtőképessége. A hűtés intenzitása a közeg mozgatásával, áramoltatásával fokozható. A hűlési viszonyokat természetesen befolyásolja a közeg hőmérséklete, a munkadarab anyaga, alakja, felület-térfogat aránya stb. Gázok pl. nitrogén esetében lényeges a nyomás is. A nyomás növelésével a hűtés intenzitása fokozható. |  | Gyors hűtés (edző, rögzítő hatású) Normál hűtés (rendszerint levegőn) Lassú hűtés (lágyító hatású)
|  | Hűtőközegek:
|  | Kemence (szabályozott, lassú hűlés) Levegő (természetes hűlés) Olaj (közepesen gyors hűtés) Sóolvadékok, vizes emulziók, víz (gyors hűtés)
|  | A hűtési sebesség hatása a munkadarab hőmérséklet eloszlására:
|  | Minél gyorsabb a hűtés, annál nagyobbak a hőmérséklet különbségek a felület és a mag között. A hőkezelési folyamatban a lehűlés során is eltérő sebességgel hűl a munkadarab felülete és magja. Ez az eltérés függ a lehűtés módjától, elsősorban a hűtőközegtől, a darab anyagától, méretétől, és hőkezelési hibák (feszültség, elhúzódás, repedés) kialakulásához vezethet.
|  | Fontos megjegyezni, hogy a hőkezelési méterváltozások, vetemedés függ az alakítás irányától, a kovácsolással kialakított szálelrendeződéstől továbbá, hogy a darab anyagának szilárdsága a kezelési hőmérsékleteken kicsi, ezért a nem megfelelően "alátámasztott" darabok a saját súlyuk hatására is vetemedhetnek. Tengelyek függesztve pl.!
|  | A hőkezelési méretváltozások egyengetéssel vagy a hőkezelést követő megmunkálással megszüntethetők, tehát javítható hibák, de a tömegtermelésben jelentős többletköltséget okoznak.
|  | Ha a keletkező feszültségek meghaladják az anyag szilárdságát repedések, tehát nem javítható hibák keletkeznek. A repedés lehet a túl gyors felhevítés (a darab felülete és a hideg mag közötti méretkülönbség a magban húzó a kéregben nyomó feszültséget okoz) hatására kialakuló magrepedés, vagy a darab felületén gyors hűtés hatására (a felületen húzófeszültség keletkezik) kialakuló hűtési elsősorban edzési repedés.
|  | A repedések kialakulásának lehetősége a nagyobb C tartalmú, ötvözött, tagolt daraboknál nagyobb. A gyakorlatban ezért hevítéskor az optimális hevítési sebességet, vagy lépcsőzetes felhevítést, hűtéskor pedig az adott cél elérését biztosító legenyhébb hűtőközeget alkalmazzuk!
|  | A hőkezelések csoportosítása
|  | A hőkezelő eljárásokra legáltalánosabban elfogadott az, hogy az előírt szövetszerkezetet, és ezzel az előírt tulajdonságokat a darab mely részén kívánjuk kialakítani. Így megkülönböztetünk:
|  | Teljes keresztmetszetre kiterjedő és Felületi hőkezeléseket

|  | Ellenőrző kérdések
| Jelölje meg az egy helyes választ!
| 1. Hogyan befolyásolja az ötvözés a fémek szilárdságát?
| Minden esetben növeli.
| Az ötvözőelemtől függően gyakran csökkenti.
| Az ötvözőelemtől függ, a legtöbb esetben növeli.
| Az ötvözés nem befolyásolja a szilárdságot.
| 2. Milyen hatása van a hidegalakításnak?
| A szilárdság és az alakváltozóképesség nő.
| A szilárdság és az alakváltozóképesség csökken.
| A szilárdság csökken az alakváltozóképesség nő.
| A szilárdság nő az alakváltozóképesség csökken.
| 3. Mitől függ a felhevítés során a munkadarab felületének és a magjának a hőmérséklet különbsége?
| A munkadarab alakjától, a kemence és a darab hőmérsékletkülönbségétől, az előzetes hőkezeléstől.
| Az ötvözöttség mértékétől, a darab méretétől, a kemence alakjától.
| A kemence méretétől, a darab hővezető képességétől, az előzetes hőkezeléstől.
| A munkadarab és a kemence hőmérsékletkülönbségétől, a darab méretétől, az ötvözöttség mértékétől.
| 4. A megadott szavakkal egészítse ki a definíciót! A hőkezelés egy megválasztott folyamat, amely , és áll, és célja a munkadarab tudatos megváltoztatása az előírt elérése céljából. 1. felhevítés 2. tulajdonságok 3. lehűtés 4. tervszerűen 5. hőmérsékletváltoztatás 6. hőntartás 7. feszültségi állapot 8. szövetszerkezet 9. halmazállapot 10. alakíthatóság 11. szilárdság
| Vizsgálja meg a feltüntetett állításokat. Jelölje be , hogy igaz vagy hamis!
Az ötvözőelemek csökkentik a fémek hővezetőképességét, ezért növelik a felhevítés sebességét. |
A nagyobb méretű, ötvözött darabokat szakaszosan kell felhevíteni. |
A dekarbonizáció az acélok felületi karbontartalmának csökkenése, amely a kemencében lejátszódó redukciós folyamatok következménye. |
Minél lassabb a hűtés annál nagyobb a hőmérsékletkülönbség a felület és a mag között. |
A víz, az olaj, mint hűtőközegek gyors, edzőhatású hűtést biztosítanak. |
A kemencében való hűtés növeli a hűtési feszültségeket. |
Minél gyorsabb a hűtés annál nagyobb a hőmérsékletkülönbség a felület és a mag között. |