A hőkezelés célja. Hőkezelési eljárások. Fémek hőkezelése. Tipikus hőkezelési ciklus

A hőkezelés célja

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK

Anyagtechnológia (Hegesztés, hőkezelés)

Hőkezelési eljárások

Dr. Palotás Béla - dr. Németh Árpád [email protected]

A szövetszerkezet változtatásával a kívánt mechanikai- és egyéb, pl. korróziós tulajdonságok biztosítása A legtöbb hőkezelési eljárásnál a kémiai összetételt szándékosan nem változtatjuk meg (kivétel természetesen a termokémiai kezelések) Hőkezelési eljárások

Fémek hőkezelése

Tipikus hőkezelési ciklus Thőntartás, thőntartás

Tmegeresztés Thőkiegyenlítés

tmegeresztés

thevítés Hőkezelési eljárások

tmegeresztés Felületi edzés

3

Minden fém hőkezelhető, az acélok (C = 0 ÷ 2,1%) különösen alkalmasak arra, hogy tulajdonságaikat hőkezeléssel befolyásoljuk Allotróp átalakulás γ (f.k.k.) → változás alapján

α (t.k.k.) térrács

Acélok egyensúlyi és nem egyensúlyi átalakulása

160 – 200 °C Hűtőközeg

2

Egyensúlyi átalakulások lásd Fe - C állapotábra

Nem egyensúlyi átalakulások: izotermikus és folyamatos átalakulási diagramok

Korlátolt oldás van (főleg nem vasfémek) Hőkezelési eljárások

4

1

Egyensúlyi állapotábra

Acélok hőkezelésének alapjai T = Ac3 γc%<0,8

Ac3

Acm

α Hipereutektoidos

Eutektoidos, perlites

5

Mk

Allotróp átalakulás Átalakulás kezdete

Bénites

Vége

Csíraképződéssel járó átalakulások: Hőkezelési eljárások

Eredő, C - görbe

Martenzites átalakulás

Diffúzió log t

r∗ =

k ∆T

Sec. cementit

perlit

α+perlit

perlit

+ terc. cementit

p+sec.cem.

(α+cem.)

T = Tszoba


Hőmérséklet oC

Eutektoidos acélra

Perlites

Izotermikus átalakulások „C” görbék Átalakulások folyamatos lehűlésnél

6

Perlites acél (C = 0,8 %) izotermikus átalakulása

Nem egyensúlyi átalakulások T, °C

Nem egyensúlyi átalakulások

(α+cem.)

Perlit + sec. cementit


Diffúziós átalakulások

Egyensúlyi átalakulások

T = A1

ferrit + perlites

Ac1 = Ac3

T = Acm

γc%=0,8

Ac1 Hipoeutektoidos

γ c%>0,8

Ac1=Ac3=727 °C

A A

Bain és Davenport perlit

P

finom perlit

A

B Mk

bénit

t, sec T

7


8

2

Bénites átalakulás

Perlites átalakulás

Az átalakulás cementit- majd ferrit kiválásával játszódik le, két fázis (Fe3C + α vas ) réteges elegye jön létre ⇒ perlit

Nagy túlhűtés, részleges diffúziós mozgás, nagy kristályosodási sebesség

cementit Hőkezelési eljárások

9

ferrit


10

Martenzites szövet

Martenzites átalakulás Felhevítés T > A3 ausztenites állapotba

Mk < T < M v

T= Mk - ∆T

vLehűtés ≥ vkritikus Kis elmozdulások

A martenzit szilárdsága, keménysége nagy, alakváltozó képessége, ütőmunkája gyakorlatilag 0 ! „Plate”(lemezes) martenzit

Hangsebességű átalakulás

Diffúzió és kristálycsíra nélküli átalakulás Hőkezelési eljárások

Bénit: jó szilárdság és kisebb szívósság

Tűs, léces mikroszerkezet T= Mv + ∆T

11


12

3

Hiperuetektoidos, 1 % C tartalmú acél izotermikus átalakulása

C 45 - jelű acél (C = 0,45 %) izotermikus átalakulása Hőmérséklet oC

F

Ferrit+perlit

P

Bénit

B M sec

min

Hőmérséklet oC

A ausztenit F proeutektoidos ferrit, P perlit, B bénit, M martenzit O HRC keménység % az átalakulás mértéke

A

A

C Proeutektoidos cementit P

A

HV B

Mk

óra log (idő), s


13


Ac3

v = f(d) D

Kemence Meleg olaj Víz

C 45 - jelű acél (C = 0,45 %) folyamatos átalakulása A A

Hőmérséklet oC

Hőmérséklet °C

Folyamatos lehűtések, a hűtőközegek hűtőhatásai

F Mk

d Levegő

Olaj log(idő)

Mv

B M

edzés

v

Vkritikus felső, alsó Hőkezelési eljárások

14

15


lágyítás F+P P A ausztenit Norm.. F ferrit, P perlit, B bénit, M martenzit O HV keménység % az átalakulás F+P+M+ A mértéke 16

4

C105 -jelű (hipereutektoidos acél C = 1 %) folyamatos átalakulása

Az edzhetőség feltétele

Hőmérséklet oC

vkritf vvíz volaj Nemesíthető acélok

Az ötvözők hatására csökken a vkrit HV nő!

C, %

Idő, s

0,22 % Hőkezelési eljárások

17


18

Átalakulási diagramok használata

C 15 - ös (C = 0,15 % acél hipoeutektoidos) hipoeutektoidos) acél folyamatos átalakulása

Izotermikus diagram, homogén szövetszerkezet előállítása esetén

Patentírozás

Folyamatos átalakulási diagramok

Lágyítás Normalizálás Edzés

⇒ Az átalakulási diagramra helyezzük a lehűlési görbét Hőkezelési eljárások

19


20

5

A hűtési sebesség a méretettől függ D = 28 mm

A CCT diagramon ellenőrizni tudjuk a kialakuló szövetszerkezetet

D = 95 mm


21

Levegő hűtés berajzolva, ∅28mm


22

A karbontartalom hatása a keménységre és a szívósságra

Hőkezelési eljárások • Lágyítás

Martenzit (edzés) Martenzit szívósság

• Normalizálás (hűtés levegőn) • Edzés

HV, HRC Rm

• Megeresztés • Nemesítés = edzés + megeresztés

Normalizálás

• Patentírozás = izotermikus hőkezelés

Lágyítás

• Feszültségcsökkentő hőkezelés • Felületi hőkezelések Hőkezelési eljárások

23


24

6

Lágyítási hőmérséklet tartományok

Lágyítás

Homogenizáló lágyítás

Ausztenites állapotból kemencével együtt lehűtés T Normál lágyítás Homogenizáló lágyítás Tlágyítási Gömbszemcsésítő lágyítás

Normál lágyítás 727oC

Gömbszemcsésítő lágyítás

t Hőkezelési eljárások

25


Edzés

Normalizálás Ausztenites állapotból hűtés: nyugvó, 20 ºC - os levegőn

T

Cél:

Tlágyítási

• Un. normál állapot elérése • Legtöbb acélnál ez a szállítási állapot

t Hőkezelési eljárások

26

27

Edzés célja, martenzites, esetleg bénites szövetszerkezet létrehozása (általában a keménység-, szilárdság növelése céljából) A gyakorlatban a martenzit tulajdonságainak, valamint a kritikus lehűlési sebesség biztosítása miatt az edzhető ötvözetlen acélok karbontartalma legalább 0,22 % A martenzit kemény, rideg szövetszerkezet - ezért megeresztéssel a martenzitet elbontjuk, gömbszemcsés perlit (szferoidit) keletkezik. A NEMESÍTÉS = Edzés + Megeresztés jó szilárdsági és szívóssági tulajdonságokat biztosít. Hőkezelési eljárások

28

7

Az edzés változatai

T

Tedzési

Edzés

Edzés Lépcsős edzés Mélyhűtéses edzés

A

Mk

Ac3 Acm

vle ≥ vkrit

t

M

Ac1

727 ºC

edzés vkritikus felső


29


Lépcsős edzés

Mélyhűtéses edzés

Célja:

Mag Külső rész Hőkezelési eljárások

• Az edzési feszültségek csökkentése ill. a homogén martenzit biztosítása teljes keresztmetszetben Bénites termáledzés

• A mag és a felület hőmérséklet kiegyenlítése csak bénites állapotban történik meg. 31

30

Célja:

A

• A maradék ausztenit mennyiségének csökkentése, a db. méretviszonyának stabilizálására

Mk M M v Hőkezelési eljárások

•A hűtést a martenzit vége hőmérséklet alá kell egy kicsivel hűteni 32

8

A megeresztés hatása

Nemesítés = Edzés + megeresztés T, ºC

Rm

Szilárdság,

T

A3

keménység

A1

t=állandó Rp0,2 / Rm =

Rp0,2

0,8…0,9

500…650 ºC

szívósság

t Edzés

Szferoidit

Megeresztés


Martenzit 33

Megeresztésnél lejátszódó jelenségek T, ºC

α’ + maradék ε – karbid ausztentit (Fe2,3C) + α’’+ ε.k. + m.a.⇒ α’’ + m.a. α + cementit Kb. 0,3 % C tart. martenzit 100 – 200 ºC

Martenzit Hőkezelési eljárások

300 – 500 ºC

500 ºC

650 ºC

Tmegeresztés A1


34

Megeresztési ridegedés Mn, Cr, Cr – Ni ötvözésű acélokban:

t = állandó

Rm

Szemcsedurvulás

Gyors hűtés

Rm KV

Szferoidit

KV

Tmegeresztés

Lassú hűtés

500 … 550 °C Tmeg Elkerülés: Gyors hűtéssel, vagy Mo, illetve W ötvözéssel

A1 35


36

9

Szferoidit és a szemcsés perlit

Patentírozás Cél:

Perlit Bénit

Martenzitből megeresztéssel

Képlékeny alakításnál a homogén szövetszerkezet elérése, így azonos mértékben alakváltozik a darab.

Lemezes perlitből szferoidizálással


37


38

Feszültségcsökkentő hőkezelés

Feszültség csökkentő hőkezelés

T < 720 ºC Minimális hőmérséklet: 520 ºC Hőkezelési eljárások

Ötvözött acéloknál magasabb hőmérsékletre van szükség 39


40

10

A Hollomonn – paraméter H p = T (20 + lg t ) 10 −3

∆Rm +

A feszültségcsökkentés paraméterei

∆TTKV, ºC

+40 +30

+20 A Hollomon paraméter ∆Re +10 értéke 14 – 21 ha a Hp Hp hőmérsékletet 15 16 17 18 19 15 16 17 18 19 (T ) K - ben, az időt (t ) h – ban helyettesítjük. Mn < 1 % esetén A falvastagság és ötvöző A kisebb Hollomonn – paraméter tartalom növelésével Hp kedvezőbb a mechanikai nő. tulajdonságok szempontjából.


tc =

41

Ellenőrzés hőkezelés repedés érzékenységre

Itt K a hevítési illetve lehűlési sebesség K/h - ban. A tc1 a hevítési, tc2 a hűtési korrekció, tc a korrigált hőntartási idő h - ban.

Az acél összetételére jellemző alkotókat % ban kell helyettesíteni. Az acél érzékeny a repedésre, ha P > 0 és Cr < 1,5 % (P < 0 és Cr ≥ 1,5 % esetén az acél nem érzékeny).


A hevítési sebesség értéke: max. 220 ºC/h (illetve 5600/s itt s-t, a falvastagságot mm-ben kell helyettesíteni). A kisebb értéket kell alkalmazni. A hűtési sebesség értéke max. 275 ºC/h (illetve 7000/s itt s-t, a falvastagságot mm-ben kell helyettesíteni). A kisebb értéket kell alkalmazni. 42

Felületi hőkezelések

P = Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7 Nb + 5Ti − 2

T 2,3K (20 − lg K ) t c = t + t c1 + t c 2

0

Az idő korrekciót kell alkalmazni:

Tipikus hőkezelési repedés:

Cél:

Kopásálló réteg Szívós mag létrehozása

Felületi hőkezelések

Felületi edzések

Termokémiai kezelés


43


Lángedzés Nagyfrekvenciás edzés Mártó edzés Nitridálás Boridálás Cementálás Fémbevonatok készítése 44

11

Fémbevonatok készítése

Alitálás

Hő- és korrózióálló, kopásálló ⇒ 0,1 … 0,3 mm (1000 – 1050 ºC ⇒ 10 … 20 h)

Jelentős felületi keménység (HV > 1200) Jó sav- és hőállóság is Hőkezelési eljárások

45

Ausztenitesítés Kritikus lehűtési sebességnél gyorsabb hűtés

A3 A1

160 … 250 ºC t

Csak kéregben ausztenitesítés és hűtés kritikus sebességnél gyorsabban (vízben) A réteg ridegségét csökkentik Teljes keresztmetszetben ausztenitesítés kéregben hűtés a kritikusnál gyorsabban Hőkezelési eljárások

Teljes hőkezelési ciklus T

Kéregben ausztenitesítés T

Megvalósítható

Hő- és savállóság, 0,5 … 1 mm kéreg ( 1100 – 1200 ºC ⇒ 4 … 10 h)

Boridálás

Az edzés feltétele

Szilikálás

Hőállóság növelése, 0,3 … 0,8 mm nagy Al tartalmú kéreg (850 – 1100 ºC ⇒ 6 - 8 h)

Kromálás (keménykrómozás)

Felületi edzések

46

Lángedzés 1.

Felületi edzés

A3 A1

160 … 250 ºC

t Edzés

Megeresztés Kis hőmérsékletű megeresztés

A nemesítés biztosítja a szívós magot, a felületi edzés biztosítja kopásállóságot a felületen Hőkezelési eljárások

47


48

12

Lángedzés 2.

Nagyfrekvenciás edzés elve

A darabokat a mágneses hiszterézis veszteség és az örvényáram hevíti fel ⇒ C ≥ 0,45% (O – pont konc.) Áramsűrűség a darabban x mélységben: x

I x = I0 e

δ

δ = 503

ρ µ f

ρ : Fajlagos ellenállás µ : Mágneses permeabilitás f : Frekvencia


Nagyfrekvenciás edzés

50

Termokémiai kezelések

Nitridálás

HVnitrid > HVmartenzit

Cementálás

Szilárd közegben Folyadékban

51

T A3 A1

Korrózióállóság nő Kifáradási határ nő

Gázközegben Folyadékban Karbonitridálás


x

36,8 %

Frekvencia nő vékonyabb kéreg

49

I0

δ

Kéregvastagság: δ = f (f, erg. sűr., t …)


−

I 100 %

Nitrocementálás

Gázközegben Hőkezelési eljárások

500 …. 580 ºC

T

Nemesítés

t

Nitridálás

A3 A1

Kéreg edzés Cementálás

160 … 250 ºC

Magra -

t

Kis hőmérsékletű megeresztés 52

13

Nitridálás

Nitridálás

Gázközegben Folyékony közegben Ion - nitridálás

Gázközegben

A nitridálás további változatai

• Nitridek magas hőmérsékletig (1200 ºC – ig) stabilak

• Méretpontos alkatrészek készíthetők ( nincs allotrop átalakulás )

A gázközegű nitridálás hosszú ideig tart: 0,01 mm kéreg : 1 h Ion nitridálás Folyékony közegű

nitridálás (cianidálás)

N, C

NH3 ⇒ 3H + N Nitridképző ötvözőkkel keményebb kéreg hozható létre: Al, Ti, V, Mo, Cr, W Al adja a legkeményebb nitridet

T

850 … 950 ºC

2C + O2 → 2CO → CO2 + C

t

BaCO3 + C → BaO + 2 CO 2 CO → CO2 + C

Cementálás

• Atomos C a felületen megtapad Hőkezelési eljárások

D = D0 e

+

Kemence fal

-

=

54

N, C

N

C

Nirogén is bediffundál a felüleletbe

Kb. 0,7 … 0,8 % C a kéregben

x = 2 Dt

Sófürdőben ( cián sókat tartalmaz a fürdő, pl. nátriumcianid NaCN)

0,1 mm kéreg ⇒ 1 h

BaO + CO2 → BaCO3

• Bediffundál a felületbe

A1

• Atomos C létrehozása

Munkadarab NH+

Folyékony közegű cementálás

A3

Faszén + csontszén + BaCO3 gyorsító

Gázközegben, igen gyors a nitridálás az elektromos áramnak köszönhetően


Kis C – tartalmú acéloknál: Cementálás

C

500 … 600 ºC 53

Szilárd közegben

N

T


Karbonitridálás (lágynitridálás) 0,1 mm 1 h

Nitrocementálás 850 … 870 ºC – on 30 min alatt 0,2 … 0,25 mm

T 850 … 950 ºC

940 ºC – on 30 min alatt 0,45 mm kéreg (itt azonban erős a só párolgása ⇒ mérgező a cián)

−Q RT 55


56

14

Gázközegű cementálás

Száraz gáz, %

Tömeggyártásban

+ Hordozó gáz

Cpotenciál = 0,6 %

Exo

30 20

T = 930 … 950 ºC

Szabad oxigén + N2

Inert

Endo gáz

Jól szabályozható, automatizálható

Nagy a cementálás sebessége Endomat gáz + szenítő gáz ⇒ CH4

Gázközegű cementálás jellemzői δ

H2 CO

Levegő / propán

CO2

10

7

12

16

23

20

T nő

Nm3 / Nm3

C, %

CO δ

Finomszemcsés anyagoknál:

potenciál

1000 … 1050 ºC


57

T

A3 + 20 … 50 ºC

A gázközegű cementálásnak legkisebb az idő szükséglete


58

Nitridálható acélok hőkezelése

Nemesíthető acélok hőkezelése A3

δ

t

CH4

≈1 % Carbon

Áramlási sebesség nő

C, %

Felületi edzés

T

A1

A3

160 … 250 ºC

A3 + 20 … 50 ºC

500 … 650 ºC

A1

t

500 …. 580 ºC

Edzés

Megeresztés Kis hőmérsékletű megeresztés 500 … 650 ºC

T

C22E, C22R, C25_, C30_, C35_, C40_, C45_, C50_, C55_, C60_,

Nemesítés

t

Nitridálás

24CrMo 13-6, 31CrMo 12, 32CrAlMo 7-10, 31CrMoV 9, 32CrMoV 12-9,

28Mn 6, 38Cr 2, 38CrS 2, 46Cr 2, 46CrS 2, 34Cr 4, 34CrS 4, 37Cr 4, 37CrS 4, 41Cr 4, 41CrS 4, 25CrMo 4, 25CrMoS 4, 34CrMo 4, 34CrMS 4, 42CrMo 4, 42CrMoS4,

34CrAlMo 7-10, 41CrAlMo 7-10, 40CrMoV 13-9, 34CrAlMo 5-10

50CrMo 4, 36CrNiMo 4, 34CrNiMo 6, 30CrNiMO 8, 36NiCrMo 16, 51CrV 4 Hőkezelési eljárások

59


60

15

Betétben edzhető acélok hőkezelése A3

T

Szerszámacélok hőkezelése

850 … 950 ºC

A1

Kéreg edzés Cementálás

t

160 … 250 ºC

Magra -

T

Kis hőmérsékletű megeresztés

A1 500 – 550 ºC


61

500 – 550 ºC

t

Mech. tul. HV

HV

2x 1x KV Tmeg


A1 500 – 550 ºC

Mech. tul.

62

Gyorsacélok hőkezelése

A3

T

t

A hőkezelés hőmérséklete és a megeresztés hőmérséklete az ötvözéstől függ.

Melegalakító szerszámacélok


A3, Acm

160 – 250 ºC

C10, C10E, C10R, C15_, C16_, 17Cr 3, 17CrS 3, 28Cr 4, 28CrS 4, 16MnCr 5, 16MnCrS 5, 16MnCrB 5, 20MnCr 5, 20MnCrS 5, 18CrMo 4, 18CrMoS 4, 22CrMoS 35, 20MoCr 4, 20MoCrS 4, 16NiCr 4, 16NiCrS 4, 10NiCr 5-4, 18NiCr 5-4, 17CrNi 6-6, 15NiCr 13, 20NiCrMo 2-2, 20NiCrMoS 2-2, 17NiCrMo 6-4, 17NiCrMoS 6-4, 20NiCrMoS 6-4, 18CrNiMo 7-6, 14NiCrMo 13-14

55NiCrMoV 7, 32CrMov 12-28 X37CrMoV 5 – 1, X38 CrMoV 5 – 3, X40 CrMoV 5-1 50CrMoV 13 -15 X30 WCrV 9 – 3, X35 CrWMoV 5 38CrCoWV 18 - 17 -17

Hidegalakító szerszámacélok: 105V, 50WCrV8, 60WCrV8 102Cr6 21MnCr5, 70MnMoCr8, 90MnCrV8, 95MnWCr5 X100CrMoV5, X153 CrMoV12 , X210Cr 12, X210CrW12 35CrMo7, 40CrMnNiMo 8 – 6 – 4, 45NiCrMo16 X40Cr14, X38CrMo16

C45, C45U, C70_, C80, C90, C105, C120 (Kis forgácsolási sebességű szerszámok pl. kéziszerszámok, készülnek ezekből az acélokból)

2x

HS HS HS HS HS HS HS

0-4-1 (W-Mo-V-Co) 1-4-2 18-0-1, HS 2-9-2, HS 1-8-1, HS 3-3-2 6-5-2, HS 6-5-2C, HS 6-5-3, HS 6-6-2, HS 6-5-2-5, 6-5-3-8 1200 – 1290 ºC 6-5-4, HS 10-4-3-10 T A3 2-9-1-8 A1 ~ 600 ºC

~ 550 ºC 3 x

~ 400 ºC

1

t

KV Tmeg

- 70 … -80 ºC 63


64

16

Kiválásosan keményíthető ötvözetek

Alumínium ötvözetek hőkezelése

T T α

β

Tkrit Homogenizálás

Természetes öregítés 20 – 40 °C

β + s. α A

B Eutektikum A B n m (E) α + s. β α + s. β + E E+β + s. α Hőkezelési eljárások

Mesterséges öregítés 120 - 180 °C

t Edzés 65


Al – Cu, Al – Mg – Si , Al – Zn – Mg ötvözetek 66

17

A hőkezelés célja. Hőkezelési eljárások. Fémek hőkezelése. Tipikus hőkezelési ciklus

Recommend Documents