A hőkezelés célja • Az előírt szövetszerkezet előállítása, amely révén tervszerűen megváltoztatjuk egy fémes anyag tulajdonságait tisztán melegítés, hőntartás és hűtés segítségével.
• A szövetszerkezet alakításával megváltoztatható anyag tulajdonságok: – kémiai: egyenletes szemcseszerkezet, korrózióállóság növelése – fizikai: hőállóság növelése, kopásállóság, siklási tulajdonságok, feszültség csökkentés – mechanikai: keménység, szívósság, kifáradási határ növelése vagy a leglágyabb állapot élérése
• A hőkezeléseket három lépésben végzik el:
A hőkezelés lépései T (C0)
2
3
1
HEVÍTÉS
HŐNTARTÁS
HŰTÉS
t (min)
hevítés • A hevítési idő két részből tevődik össze: – Felmelegítési idő: a melegítés kezdetétől a munkadarab felületén szükséges hőmérséklet eléréséig tartó idő – Átmelegítési idő: a felületen szükséges hőmérséklet elérésétől a magban szükséges hőmérséklet eléréséig tartó idő
• A hevítési időt meghatározása tapasztalati képlettel:
tm = L·tf·kf·ke L = jellemző méret
kf = formatényező
tf = fajlagos melegítési idő
ke = elhelyezkedési tényező
hevítés • A hevítés elvégezhető:
–
helyileg
– darab teljes hevítésével
• A hevítő eszköz lehet: – – – – –
hevítő égő ellenállás-hevítés kemence induktor só- és fémfürdő
hőntartás • A hőntartás művelete során mennek végbe a tervezett fémtani folyamatok. • A hőntartás ideje függ: – a munkadarab geometriai méretétől – az anyag kémiai összetételétől – az átalakulás típusától (allotróp átalakulás rövid, míg a diffúziós átalakulás hosszú időt vesz igénybe)
• A hőntartást a lehető legrövidebb időre kell tervezni és csak az előírt ideig. (szemcsedurvulás, költségek)
hűtés • A hűtés sebessége függ a hőkezelés céljától, mert változtatásával teljesen más szövetszerkezetű és tulajdonságú anyagot lehet létrehozni. • Vannak hőkezelések, amelyek csak a hűtésben különböznek egymástól például az edzés és a normalizálás. • A hűtés sebessége a lehető legkisebb legyen, mert a felület és a mag között kialakuló hőmérsékletkülönbség elhúzódást, repedést és belső feszültséget idézhet elő. • Ezért igen sokféle hűtőközeget alkalmaznak
hűtés • A hűtőközegek lehetnek: gyorshűtés víz olaj
sófürdő fémfürdő
lassúhűtés fúvatott levegő nyugvó levegő hűtőgödörben kemencével
sebesség
Hűtési idők (s) Ø 50 mm-es 50CrMo4-es anyag 500 C0-ra történő hűtése
víz
olaj
levegő
felület
4
27
510
mag
30
44
720
A hőkezelések csoportosítása Anyag szerinti hőkezelések Vasötvözetek hőkezelése Öntöttvasak hőkezelése Szürkeöntvény
Fehéröntvény
Könnyűfémek hőkezelése
Színesfémek hőkezelése
Vasötvözetek hőkezelése Összetételt nem változtató
Termokémiai változik az összetétel
Folyamatos hűtés
Alakításos
Betétedzés
Termo-mechanikus
Ausztenitesítés
Nitridálás
Mechanikus termikus
Izzítás
Nitrocementálás
Edzés
Boridálás Nemesítés Különleges edzések
Megeresztés Izotermikus hűtés
Hőkezelő kemencék
Ausztenitesítés • az acélok hőkezelése során előforduló művelet
• célja, a teljes keresztmetszetben homogén ausztenit biztosítása • ez időigényes folyamat
• a hevítési folyamatot időben be kell fejezni, mert nőni fog az ausztenit szemcsenagysága • a szemcsenagyság növekedésével ugyan nő az átedzhető átmérő, de csökken a szívósság és a kifáradási határ nagymértékben romlik
Állapotábra
Co 1539
A
0,45
E
ausztenit
911
G
C=0,45% ferrit-perlites acél
a+f
S a+II.c
A1
ferrit P
f+III.c
Fe
1147
f+p
723
860 C0
p+II.c
0,025 0,8
780 C0
2,06
Fe3C%
Perlit - ausztenit átalakulás időbeli lefolyása állandó hőmérsékleten /izotermikus diagram/ C=0,45% /ferrit-perlites acél/ 900
ausztenit 860
ausztenit+cementit 820
f+a+c 780
f+p+a
740
ferrit+perlit 700
0,1
1
10
102
103
Hevítés időtartama (s)
104
780C0-on a ferrit-perlites acél ausztenitté alakulására – kb.2 mp múlva elkezdődik az ausztenit kialakulása – kb 8 mp-ig ferrit, perlit, ausztenit van jelen – következő vonal átlépésekor a perlitben lévő cementit még oldatlan – kb.800 mp után a ferrit már teljesen ausztenitté alakul, a karbidrészecskék még mindig jelen vannak – teljesen ausztenit ezen a hőfokon 104 mp-nél sem érhető el
Perlit - ausztenit átalakulás időbeli lefolyása állandó hőmérsékleten /izotermikus diagram/ C=0,45% /ferrit-perlites acél/ 900
ausztenit 860
ausztenit+cementit 820
f+a+c 780
f+p+a 740
ferrit+perlit 700
0,1
1
10
102
103
Hevítés időtartama (s)
104
860C0-on a ferrit-perlites acél ausztenitté alakulására – már 0,5 mp múlva elkezdődik az ausztenit kialakulása – kb 0,7 mp-ig ferrit, perlit, ausztenit van jelen – következő vonal átlépésekor a perlitben lévő cementit még oldatlan – kb.7 mp után a ferrit már teljesen ausztenitté alakul, a karbidrészecskék még mindig jelen vannak – teljesen ausztenit ezen a hőfokon 103 mp után alakul ki
Izzítás • Kiegyenlítő hőkezelések: – Szemcsenövelő izzítás: kis széntartalmú ötvözetlen acélok, Cr, Cr-Mn és Cr-Mo ötvözésű betétben edzhető acélok forgácsolhatóságának javítására alkalmazzák. T (C0)
50 0
T1
th
A3 T1= 900-1000 C0
kemencév el levegő n
th= 1-2 h t (s)
Durva szemcse csökkenti a szilárdságot! Szemcse finomítás miatt forgácsolás után normalizálni kell!
– Feszültségcsökkentő izzítás: az öntés, a melegalakítás, a
hidegalakítás, a forgácsolás, a hegesztés és az egyengetés során keletkező feszültségek csökkentésére alkalmazzák. – a vasötvözeteknek 250 C0 felett a szilárdsága csökken, a képlékenysége pedig nő – hőmérséklete: 550-650 C0 – hőntartási idő: 2-4 h – először kemencével hűl 200 C0-ig (20-40 C0/h sebességgel) – majd 200 C0-tól szintén kemencében (80-100 C0/h sebességgel) – a feszültség 75-90 %-át lehet eltávolítani – hátránya: marad feszültség az anyagban, igen sokáig igénybe veszi a kemencét – alkalmazási területe: öntött alkatrészek, hegesztési varratok, kovácsolt, melegen hengerelt darabok, vetemedésre hajlamos alkatrészek és forgácsolás során kialakult feszültségek esetén
• Lágyító hőkezelések: – Normalizálás: célja a durva szemcseszerkezet finomítása, valamint a forgácsolhatóság javítása. • acéloknál oda-vissza lejátszatjuk az α-γ fázisátalakulást T (C0) T1 T2
th
A3 A1 nyugvólevegő n t (min)
• a munkadarabot a lehető leggyorsabban melegítjük fel αγ • a hőntartás ideje a lehető legrövidebb legyen (nehogy a γ fázisban szemcsedurvulás történjen), de teljes keresztmetszetben melegedjen át: th = 10+D/2 (min) • Hipoeutektoidos acélnál: T1 = A3 + (20 - 40 0C) • Hipereutektoidos acélnál:T1 = A1 + (20 - 40 0C)
• A hűtést nyugvó levegőn kell végezni, a keménység függ a lehűlés sebességétől (a kis átmérőjűek keményebbek, míg a nagyobbak lágyabbak lesznek) • Korrózió- és saválló acéloknál nem alkalmazható • Alkalmazási területe: acélöntvények mechanikai tulajdonságainak javítására, szemcsedurvító izzítás után, hegesztésnél kialakuló durvaszemcsés zóna finomítása, nemesítés előtt egyenletes struktúrájú szövetszerkezet biztosítása
– Lágyítás: célja a lehető leglágyabb állapot létrehozása • mert a kisebb keménységű anyagot könnyebb forgácsolni, kisebb lesz a szerszámkopás • az alacsony széntartalmú acélok hajlamosak a kenődésre, ezeket nem a leglágyabb állapotba hozzuk • a lágyítás során szemcsés perlit keletkezik • típusai: – egyszerű lágyítás – teljes vagy átkristályosító lágyítás (normalizáló) – újrakristályosító lágyítás
• Egyszerű lágyítás T (C0)
T1 30 0
A1
th
kemencév el
levegő n
Nincs α γ átalakulás T1 = A1 - (20 - 40 0C) th = 2 - 6 óra Forgácsolás javítása, jó hidegalakíthatóság t (min)
• Teljes vagy átkristályosító lágyítás – a hőmérséklete és hőntartási ideje megegyezik a normalizáláséval – itt is α-γ átalakulás zajlik le – a hőntartás hőmérsékletéről lassan 10 – 100 0C/h sebességgel hűtjük – a perlites átalakulás után a további hűtés levegőn történik – programozott szabályozású kemence kell (hűtés alatt is fűt) – melegen alakított nagyméretű darabok szövetszerkezetét egységesíti, finomítja
• Újrakristályosító lágyítás – célja a leglágyabb állapot létrehozása a további képlékeny alakíthatóság szempontjából – három szakasza van: » megújulás: saját feszültség csökken, a fizikai tulajdonságok (rugalmasság, villamos ellenállás) az alakítás előtti értéket veszik fel » újrakristályosodás: az alakítás során torzult kristályokban új csírák képződnek, amelyekből új kristályok alakulnak ki » szemcsedurvulás: ha az újrakristályosodott fémet nem hűtjük le, tovább hőntartjuk vagy emeljük a hőt elindul a szemcsék növekedése, amely káros jelenség ezért kerülni kell
Edzés • acéloknál az edzéssel martenzites szövetszerkezetet állítunk elő • akkor jól átedzett, ha az anyag legalább 50%-a martenzites • az edzés eredményességének feltételei: – – – –
legalább 0,22 % szenet tartalmazzon az acél hűtés előtt teljes keresztmetszetben ausztenites legyen a hűtési sebesség az anyag belsejében is vkrit felett legyen ne maradjon vissza jelentős mennyiségű ausztenit
Edzési hőmérséklet (T1): – C % < 0,77 T1=A3 + (20-50 0C) – 0,77 < C % < 1 T1=Acm + (20-50 0C) – C%>1 T1=A1 + (20-50 0C)
T (C0) T1
A1
t (min)
Hőntartási idő: th = 20 + D/2 (min) Hűtés: a vkrit hűtési sebességnél nagyobb sebességgel, amely az anyagra jellemző „C” görbe alapján határozható meg – hűtőközegek a hűtési intenzitás alapján: • 2-10 %-os sós vagy lúgos víz • 15-20 0C-os ipari víz • műanyag bázisú hűtőközeg (Osminal, Aqua-Plast, AquaTensid) • edzőolaj (EA20, EA40, EA60, EA100, Niral238, Niral268) • só vagy fémfürdő • fúvatott levegő • nyugvó levegő
– a hűtés folyamata négy szakaszra bontható: I.
a kéreg gyorsabban hűl, ezért zsugorodna, de a mag nem engedi mivel a mérete nem változik (a kéregben húzófeszültség, a magban nyomófeszültség ezért kéregrepedéssel kell számolni)
II. a kéregben megindul a térfogatnövekedéssel járó γ-α átalakulás és széthúzza a magot (a kéregben nyomófeszültség, a magban húzófeszültség ébred, ezért magrepedéssel kell számolni) III. a kéreg már lehűlt, a mag a hűlése miatt zsugorodna (így a magban húzófeszültség, a kéregben nyomófeszültség ébred, ezért magrepedéssel kell számolni) IV. a magban megindul a térfogatnövekedéssel járó γ-α átalakulás és feszíteni kezdi a már átalakult kérget (a magban nyomófeszültség, a kéregben pedig húzófeszültség ébred, ezért kéregrepedéssel kell számolni)
• az edzés során előforduló hibák: – túl gyors hűtés miatt repedés (kéreg, mag), vetemedés, maradó feszültség az anyagban – túl magas edzési hő repedést, szemcsedurvulást okoz – a hűtőközegbe nem jó helyzetbe bemártott test feszültség, vetemedés – hűtőközeg áramoltatásának hiánya nem megfelelő hűtési sebesség – a munkadarab felülete revésedik
• edzés után mindig alkalmazunk befejező megmunkálást a méret helyesség és a megfelelő felületi minőség miatt
• az edzés alkalmazási területei: – szerkezeti elemek, gép- és járműalkatrészek szívósságának, kopásállóságának növelése – szerszámacélok keménységének, kopásállóságának növelése
