KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés

18. lecke: Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések

|  | A teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések fogalma A teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések csoportosítása Lágyító és egyneműsítő kezelések célja Lágyító és egyneműsítő kezelések fajtái, folyamata, alkalmazása A normalizálás folyamata, célja, alkalmazása, a kialakuló szövetszerkezet Az edzés célja Edzhetőség, átedzhetőség fogalma, meghatározása Az átedzhetőséget befolyásoló tényezők A szívósságot fokozó hőkezelések Nemesítés célja, alkalmazása A edzett acél megeresztése során lejátszódó folyamatok A kiválásos keményítés folyamata, alkalmazási lehetősége
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | definiálni a teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelés fogalmát jellemezni a hőkezelés folyamatát és annak hatásait kiválasztani a hőkezelést jellemző helyes állításokat
|  | Teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések
|  | A teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések célja a munkadarab megkívánt tulajdonságainak (leglágyabb állapot, egyenletes, finom szemcseszerkezet, keménység, szívósság stb.) kialakítása a teljes keresztmetszetben.
|  | A kezelések lehetnek:
|  | lágyító és egyneműsítő keménységet fokozó szívósságot fokozó
|  | Az anyagokra vonatkozó anyagszabványok a legfontosabb hőkezelések adatait tartalmazzák.
|  | Lágyító és egyneműsítő hőkezelések
|  | A lágyító és egyneműsítő eljárások célja a lágy, homogén, finomszemcsés állapot biztosítása. Az ebbe a csoportba tartozó hőkezeléseket aszerint csoportosítjuk tovább, hogy a hőkezelés során történik-e átkristályosodás, azaz γ ⇔ α átalakulás vagy nem, azaz a hőmérséklet Ac3-nál magasabb, vagy az Ac1 alatt marad.
|  | átkristályosodással nem járó hőkezelések T< Ac1 teljes átkristályosodással járó kezelések T> Ac3
|  | Átkristályosodással nem járó hőkezelések
|  | Feszültségcsökkentés
|  | Célja az anyagban lévő belső feszültségek csökkentése vagy megszüntetése.
|  | A belső feszültségek az öntést, kovácsolást, hengerlést és hegesztést, követő egyenlőtlen hűtés, valamint hidegalakítás (hajlítás, egyengetés, nagyoló forgácsolás) során keletkeznek az acélokban.
|  | A feszültségcsökkentésnél a munkadarabot 550-650 °C hőmérsékleten 2-6 órán át hőntartjuk, majd kemencével együtt hűtjük.
A feszültségcsökkenés alapja az, hogy a magasabb hőmérsékleten a folyáshatár lecsökken, és a belső feszültségek maradó alakváltozássá alakulva leépülnek. |  |
1. ábra. A feszültségcsökkentés idő-hőmérséklet diagramja
|  | Lágyítás
A lemezes perlit forgácsoláskor a kemény karbidlemezeket el kell vágni, alakításkor össze kell törni. A szemcsés perlitben a cementit rögök kitérnek (kipattannak) a kés éle elől, illetve alakításkor a lágy ferrites alap könnyebben alakítható. |  | Cél:a 0,3%-nál nagyobb C tartalmú ötvözetlen valamint ötvözött acélok forgácsolhatóságának, alakíthatóságának biztosítása.
|  | Az acélt Ac1-nél 10-20 C°-al kisebb hőmérsékletre (680-700 C°-ra) hevítjük, itt hőntartjuk, majd kemencében hűtjük. A hőntartás időtartama ötvözetlen acélok esetében 2-3 óra, ötvözötteknél 4-5 óra.
|  | A lágyítás Brinell keménységméréssel ellenőrizhető, a keménységértékeket az anyagszabványok tartalmazzák.
2. ábra. A szemcsés perlit kialakulása
|  | Az ábrán figyelje meg, hogy a lemezes perlitben az Fe3C (cementit) lemezek felszakadoznak, azután "koagulálnak" (szemcse alakúvá válnak, mert ebben a gömb szerű alakban a legkisebb az adott térfogathoz tartozó felület).
3. ábra. 0,45% C tartalmú acél lágyított szövete
4. ábra. 0,8% C ötvözetlen szerszámacél lágyítás előtti és lágyított szövete
|  | Figyelje meg, hogy a lágyítás előtti szövetszerkezetben határozottan felismerhetők a perlit lemezei. A lágyított szövetben a cementit szemcséket látjuk.
|  | Fontos! Mivel a lágyítás az Ac1 alatt végzett hőkezelés, nincs α → γ átalakulás ezért ebben az esetben nem finomítható a szövetszerkezet.
|  | Normalizálás
|  | Célja a melegen alakított, hegesztett, öntött acélok túlhevített, durvaszemcsés, egyenlőtlen szemcseszerkezetének finomítása, a mechanikai tulajdonságok, sok esetben az edzhetőség javítása.
|  | A normalizálás ausztenitesítésből, majd 5-10 perces hőntartás után nyugodt levegőn való lehűtésből áll. A keletkező szövetszerkezet a C tartalomtól függően ferrit, lemezes perlit vagy lemezes perlit és szekunder cementit.
|  | A lehető legfinomabb ausztenit érdekében a normalizálás hőmérséklete:
|  | Hipoeutektoidos acéloknál: Ac3 + 30 - 50 C°
|  | Eutektoidos acéloknál: Ac1 + 30 - 50 C°
Az Accm vonal az Fe-Fe3C diagram ES vonalának felel meg |  | Hipereutektoidos acéloknál, ha nincs szekunder cementit háló. Ac1 + 30 -50 C°, ha van: Accm hőmérsékletre hevítéssel a hálót feloldják, az újbóli kialakulását gyors hűtéssel megakadályozzák, és ezután normalizálnak.
A kisebb szelvényátmérő esetében a darab a levegő hűtés hatására gyorsabban hűl, mint a vastag szelvényű. Ennek eredményeként a kisebb szelvényű darab szilárdsági jellemzői (ReH; Rm) nagyobbak, alakíthatósága viszont kisebb lesz. |  | A normalizált acélok mechanikai jellemzői a szelvényátmérőtől függnek!
A világos a ferrit, a sötét a perlit. |  |
5. ábra. A normalizálás hatása a szövetszerkezetre (0,45% C tartalmú acél)
|  | Figyelje meg a szövetképeket. Az a) szállítási állapotú esetben durva szemcséket, helyenként tűs jellegű ferritet is megfigyelhetünk, míg a b) normalizált esetben egyenletes és finom a szemcseszerkezet. A finom szemcse kedvező az anyagtulajdonságok szempontjából.
6. ábra. Kis (0,15% C és közepes (0,45% C) acél normalizált szövete
|  | Szövetszerkezet: ferrit + perlit (lemezes)
|  | Keménységet fokozó hőkezelések
Nem minden acél edzhető, ezért értelmezni kell az edzhetőséget és az átedzhetőséget. |  | Cél: az acél legnagyobb keménységének biztosítása. Az acél martenzites állapotban a legkeményebb. A martenzit úgy érhető el, hogy az acélt homogén ausztenites állapotból a felső kritikus lehűlési sebességnél gyorsabban hűtjük. Ezt a műveletet, mint hőkezelést edzésnek nevezzük.
|  | Az edzés célja a martenzites szövetszerkezet biztosítása!
|  | Az acél edzhetősége, átedzhetősége
Mivel a martenzit csak ausztenitből keletkezhet a hűtés megkezdésére a szövetet ausztenitesíteni kell. |  | Az acélnak azt a tulajdonságát, hogy ausztenites állapotból vfkr-nél nagyobb sebességgel hűtve martenzitessé tehető az acél edzhetőségének nevezzük.
|  | Az edzhetőség feltételei:
|  | Az ausztenit nagyon fontos. A hipoeutektoidos acéloknál már az Ac1 (723 C°) hőmérsékleten megjelenik az ausztenit, ennek C tartalma 0,8%, lehűtve a legkeményebb martenzitet kapnánk. Azonban ezen a hőmérsékleten az ausztenit mellett ferrit van, ami nagyon lágy. Az így kapott szövetben lágy és kemény foltok váltanák egymást. Ez a kopás szempontjából kedvezőtlen, ezért hevítünk fel az Ac3 (GS vonal) fölé, még akkor is, ha az itt keletkezett ausztenitből kisebb keménységű martanzitet kapunk, de ebben az esetben a keménység a felületen egyforma. A 0,8 %C hipereutektoidos acélok esetében csak az Ac1 fölé hevítünk. Igaz, hogy itt az ausztenit mellett van Fe3CII is, de ennek a keménysége a martenzit keménységéhez hasonlóan nagy (kb. 700-720 HV) így a szövet egyenletes lesz. A hőmérsékletet növelésével feloldódna a Fe3C a z ausztenitben, de az ausztenit durvulna, és különben is a martenzit keménysége C > 0,8% fölött már nem nő a C tartalommal.
|  | A C > 0,2% abból adódik, hogy a ausztenitből martenzit átalakulás feltétele, hogy gyorsabb legyen a lehűtés a felső kritikus lehűlési sebességnél (vfkr). A hűtés hűtőközeggel oldható meg. A leggyorsabb lehűtést vízzel érhetjük el, de a víz hűtési sebessége kisebb, mint a 0,2%-nál kisebb C tartalmú acélok felső kritikus lehűtési sebessége, tehát az átalakulás nem hozható létre.
|  | A lehűlési sebesség legyen nagyobb, mint a vfkr, hogy a szövetszerkezetben a martenzit mellett, ne jelenjen meg egyéb a martenzitnél lágyabb szövetelem (ferrit, perlit, bainit). Az ausztenitet az Ms hőmérsékletig kell v > vfkr sebességgel hűteni, hogy elkerüljük a perlites, vagy bainites átalakulást. Ettől kezdve bármilyen, de folyamatos lehűtés szükséges, ahhoz, hogy az átalakulás befejeződjék.
|  | A v > vfkr a darab felületén megvalósítható, ha megvan a C tartalom és a megfelelő hőmérséklet. A darab belseje azonban mindig lassabban hűl, mint a felület.
Az átedződő szelvényátmérőt kísérlettel vagy a kémiai összetétel ismeretében számítással határozzuk meg. Az átedződő szelvényátmérő mindig nagyobb, mint az ideálisan átedződő. A gyakorlatban a DI átedződő szelvényátmérőt használják. |  | Az eltérés annál nagyobb, minél vastagabb a darab, és minél kisebb az anyag hővezető képessége illetve minél kisebb a hűtőközeg hőelvonó képessége. Ez az oka annak, hogy nem érhetjük el tetszőleges keresztmetszetben a martenzites állapotot. Értelmeznünk kell tehát az átedzhetőséget.
|  | Az átedzhetőség fogalma
|  | Ideálisan vagy teljesen átedződő szelvényátmérőnek nevezzük azt az átmérőt, amelynél az adott összetételű munkadarab teljes keresztmetszete martenzites lesz (v > vfkr) átedződő szelvényátmérőnek (DI) nevezzük azt az átmérőt, amelynél az adott összetételű munkadarab magja 50%-ban martenzites, 50%-ban bainites lesz A gyakorlatban az átedzhető szelvényátmérőt (DI) tekintjük edzhetőségi kritériumnak
|  | Az edzhetőség vizsgálata Jominy próbával
|  | A különböző átmérőjű rudakon végzett kísérletek helyett jól reprodukálható, szabványos vizsgálatot vezettek be, ez a Jominy próba (véglap edzési próba).
|  | A Jominy próba 25,4 mm átmérőjű, 100 mm hosszú hengeres rúd, melyet ausztenitesítés után a véglapon vízsugárral hűtenek.
|  | A vizsgálati eredmény a paláston mért keménység eloszlás.
|  | Jominy vizsgálat
7. ábra. A Jominy vizsgálat
A vízsugár intenzitása, ezáltal a hűlési sebesség állandósága az esési magassággal szabályozott. |  | A kemencében ausztenitesített darabot elhelyezzük a készülékben és a véglapját a vízcsövön kiáramló vízzel hűtjük. (A darab lehűlési viszonyait a 8. ábrán figyelheti meg).
A Jominy görbe vízszintes tengelyén a véglaptól mért távolság, függőleges tengelyén pedig a keménység (HRC vagy HV) van feltüntetve. |  |
8. ábra. A Jominy próbatest lehűlésének bemutatása
|  | A véglap a vízhűtés hatására martenzites lesz. A véglaptól távolodva a lehűlés sebessége csökken. Az ábrán az adott lehűlési sebességeknek megfelelő pontok is be vannak rajzolva a kísérlet eredményeiből megrajzolt Jominy görbén.
9. ábra. Ötvözetlen és ötvözött acélok Jominy görbéi
|  | Az ábrán három különböző C tartalmú ötvözetlen és két ötvözött acél Jominy görbéje látható. Figyelje meg! A legnagyobb keménység a C tartalomtól függ, a C tartalom növekedésével nő a felületen elérhető keménység. Az ötvözők nagyobb mélységig biztosítják a nagyobb keménységet, tehát növelik az átedződő szelvényátmérőt.
|  | Az átedzhetőséget befolyásoló tényezők
Az ausztenit szemcsenagyság átedződő szelvényátmérőt növelő hatását a gyakorlatban nem használjuk ki, mert a durva ausztenitből rideg, rossz tulajdonságú martenzitet kapunk és az edzési repedések kialakulásának esélye is nő. |  |
10. ábra. Az ausztenit szemnagyságának hatása
|  | Figyelje meg az ábrát! A függőleges tengelyen az átedződő szelvényátmérő, míg a vízszintes tengelyen a C tartalom van feltüntetve. A számok 4-8-ig a szemcsenagyságot mutatják, a 8-as a legkisebb szemcse.
|  | Minél nagyobb az ausztenit szemcsenagyság, annál jobb az átedzhetőség. A C tartalom a többi ötvözőelemhez hasonlóan növeli az átedzhetőséget!
11. ábra. Az ötvözőelemek hatása
|  | Az ábrán az ötvözőfém tartalom függvényében az ötvözők átedződő szelvényátmérőt növelő hatása az ún. szorzótényezővel van kifejezve. Minél nagyobb a szorzótényező, annál erőteljesebb az ötvöző hatása. Megjegyzés. Az ötvözők (kivéve a kobalt) az ausztenit átalakulási diagramjának vonalait (C görbék) jobbra, a nagyobb idők felé tolják, így csökkentik a vfkr értékét!
|  | A Jominy görbe és az átedzhető átmérő meghatározása számítással
A kémiai összetétel meghatározható, de a gyártómű a műbizonylaton is megadja. |  | Ismert az acél kémiai összetétele Pl. a SAE J406-os szabvány tartalmazza az egyes ötvözők szorzófaktorát, melyből az átedzhető szelvényátmérőt (DI) lehet meghatározni A DI-ből a szabványban ismertetett módon lehet a Jominy görbét származtatni

|  | Példa: CrMo 35 acél (SAE J406-os szabvány) Az adott acél kémiai összetételét és a szorzótényezőket a táblázat tartalmazza.
Ötvöző | Ötvöző elemzett mennyisége % | Szorzó tényező
C | 0,35 | 0,189
Mn | 0,86 | 3,867
Si | 0,26 | 1,182
Ni | 0,10 | 1,036
Cr | 0,96 | 3,074
Mo | 0,19 | 1,570
Cu | 0,22 | 1,080
V | 0,01 | 1,020
| A szorzó faktorok szorzata adja az átedződő átmérőt: DI = 4,758" = 121 mm A Jominy távolságból és az összetételből a szabványban lévő szorzótényezőkkel számítható a keménység is, erre itt nem térünk ki.

|  | Edzés
|  | Célja a martenzites szövetszerkezet, ezzel a legnagyobb keménység biztosítása. Az edzés hőmérsékletének megválasztásakor az alábbiakat kell figyelembe venni: Hipoeutektoidos acéloknál: Ac3 + 30 - 50 C° Eutektoidos acéloknál: Ac1 + 30 - 50 C° Hipereutektoidos acéloknál: Ac1 + 30 -50 C° Az egyes acélfajták edzési hőmérsékletét a vonatkozó anyagszabványok tartalmazzák. A hőntartási idő: a darab méreteitől függ a lehűtés a v > vfkr feltételt teljesítő víz, vizes emulzió vagy olaj, szerszámacélok esetében sófürdő. Az edzett acél kemény, rideg, szerkezeti anyagként nem használható, ezért minden esetben szükség van egy újabb kezelésre, ez a megeresztés. A megeresztés hőmérséklete általában 180- 200 C°, ideje legalább fél illetve egy óra. A kis hőmérsékletű megeresztés az acél ridegségét csökkenti a keménység jelentéktelen csökkenése mellett. Az edzés keménységméréssel ellenőrizhető!
12. ábra. Az edzés idő - hőmérséklet diagramja
13. ábra. Edzett és megeresztett szövet
|  | Szívósságot fokozó hőkezelések
|  | A szívósság nagyon fontos jellemzője a szerkezeti anyagoknak. A szívósság egyik tényezője a szilárdság a másik az alakváltozó képesség. A szívósság a legnagyobb szilárdság melletti legnagyobb alakváltozó képesség.
|  | A szívósság az ütőmunkával jellemezhető (KV; KU). A szívósság annál nagyobb, minél finomabb és egyenletesebb a szerkezet. A kis C tartalmú acélok normalizált állapotban a legszívósabbak. A közepes (0,2-0,3%-nál nagyobb a C %) acélok legszívósabb állapotát biztosító hőkezelés a nemesítés.
|  | A nemesítés = edzés + nagyhőmérsékletű megeresztés!
14. ábra. Az edzést követő nagyhőmérsékletű megeresztés során lejátszódó folyamatok
|  | A gyors hűtést követően a martenzit nagyon rideg, mert a rácsban bennszorultak a C atomok és azt tetragonálissá torzították. A nagyon nagy belső feszültségek miatt már nagyon alacsony hőmérsékleten (100 C° alatt a C atomok igyekeznek a rácsból kidiffundálni. Nagy utat nem tudnak megtenni, ezért nagyon finom eloszlásban karbidokat hoznak létre ( ε karbid). Ezek a karbidok átmeneti karbidok (nem stabil). A 300 C° körüli hőmérséklet tartományban a maradék ausztenit bainitté alakulása a jellemző, természetesen a C diffúzió tovább folytatódik a torzultság mértéke egyre csökken. 400 C° körül már az összes C atom kidiffundál, a martenzitből ferrit lesz. Az átmeneti karbidok pedig vaskarbiddá (Fe3C) alakulnak. Ezt a szövetet, amely martenzitből keletkezik és ferrit alapba ágyazott cementit rögökből áll nevezzük szferoiditnek.
15. ábra. Nemesített acél szövetszerkezete. Szferoidit
16. ábra. A mechanikai tulajdonságok változása egy ötvözetlen acél megeresztése során
|  | Az ábrán megfigyelhető, hogy a meresztési hőmérséklet növelésével csökken a szilárdság, nő az alakváltozóképesség, de különösen jelentős a szívósság mérőszáma az ütőmunka.
|  | Kiválásos keményítés
|  | A kiválásos keményítés a szilárdságnövelés hatékony eszköze abban az esetben, ha az alapfém és az ötvöző egymással szilárdoldatot alkot, az oldódás korlátozott, és a szilárd állapotban való kiválás az ötvöző és az alapfém vegyületének formájában történik.
|  | Alkalmazás:
|  | alumínium ötvözetek mikroötvözött acélok kúszásálló ötvözetek
17. ábra. A kiválásos keményítés folyamat Al-Cu ötvözeten bemutatva
A gyors hűtést követő kezelést öregbítésnek is nevezik. |  | A kezelés során először oldatba visszük a vegyületet. (Felhevítés a sötétre színezett szilárd oldat területbe). Ezután gyors hűtés (Víz XA vonal). Ezután vagy szobahőmérsékleten vagy alacsony kb. 100-150 C°-on a vegyület nagyon finom formában kiválik (. Ez a mechanikai tulajdonságok szempontjából nagyon kedvező. (B kép). A D kép lassú hűtést mutat, a vegyület durva kiválásokat alkot a szilárd oldat krisztallitok határán. A C képen pedig túl magas hőmérsékletet választottak a gyors hűtést követő kezeléshez és az anyag "túlöregbített".

|  | Ellenőrző kérdések
| Jelölje meg az egy helyes választ!
| 1. Mi a teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések célja?
| A keménység növelése a teljes keresztmetszetben.
| Az alakíthatóság növelése a teljes keresztmetszetben.
| Az előírt szövetszerkezet biztosítása a teljes keresztmetszetben.
| Az előírt szövetszerkezet biztosítása a felületen.
| 2. Mi a lágyítás célja?
| Az acél leglágyabb állapotának biztosítása.
| A 0,3%-nál nagyobb C tartalmú acélok forgácsolhatóságának, alakíthatóságának biztosítása.
| Az acélok forgácsolhatóságának, alakíthatóságának biztosítása.
| Feszültségmentesítés.
| 3. Mi az edzés célja?
| A szferoidit létrehozása.
| Kemény, szívós állapot biztosítása.
| A martenzites szerkezet biztosítása.
| Lemezes perlit létrehozása.
| 4. Mi a lágyítás célja és milyen szövetszerkezet keletkezik?
| Lágy feszültségmentes szövetszerkezet biztosítása, ferrit, lemezes perlit.
| A forgácsolhatóság biztosítása, lemezes perlt.
| Az alakíthatóság, a forgácsolhatóság biztosítása, szemcsés perlit.
| A forgácsolhatóság biztosítása, martenzit.
| 5. Melyek az edzhetőség feltételei?
| Ausztenites szövet a hűtés megkezdésekor, a C > 2%, v > vfkrit.
| Ausztenites szövet a hűtés megkezdésekor, a C > 0,2%, v > vfkrit.
| Martenzites szövet a hűtés megkezdésekor, a C > 2%, v < vfkrit.
| Ausztenites szövet a hűtés megkezdésekor, a C <0, 2%, v > vfkrit.
| 6. Hogyan befolyásolják az ötvözőelemek az acélok átedzhetőségét?
| Kivétel nélkül növelik.
| Kivétel nélkül csökkentik.
| A Co kivételével csökkentik.
| A Co kivételével növelik.
| 7. Milyen szövetszerkezete lesz egy hipoeutektoidos acélnak normalizálás hatására?
| Ferrit, szemcsés perlit.
| Ferrit, lemezes perlit.
| Martenzit.
| Szferoidit.
| 8. Mi a megeresztés célja?
| Az edzett acél keménységének csökkentése.
| A martenzit ridegségének csökkentése a keménység számottevő csökkenése nélkül.
| A lemezes perli szemcsésítése.
| Az edzett acél keménységének fokozása.
| 9. Hogyan befolyásolja a normalizált acél mechanikai tulajdonságait a hőkezelt darab szelvényátmérője?
| A szelvényátmérő növekedésével nő a szilárdság és az alakíthatóság.
| A szelvényátmérő csökkenésével nő a szilárdság és az alakíthatóság.
| A szelvényátmérő növekedésével csökken a szilárdság és az alakíthatóság.
| A szelvényátmérő növekedésével csökken a szilárdság és nő az alakíthatóság.
| 10. Milyen anyagok leggyakoribb hőkezelése a kiválásos keményítés?
| Ötvözetlen acélok.
| Alumínium ötvözetek.
| Szerszámacélok.
| Szerkezeti acélok.