ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK
Anyagismeret
Anyagválasztás I. (gyakorlati elő előkészí szítő)
Dr. Palotá Palotás Bé Béla
/ dr. Németh Árpád
[email protected] /
[email protected]
Anyagválasztás
A gépészmérnöki feladatok legfontosabb, legnehezebb, legszebb része A ma mérnöke számára: 40 - 80 ezer anyagféleség áll rendelkezésére (fémek, kerámiák, üveganyagok polimerek, elasztomerek, és a belőlük készült kompozitok)
Általában nem csak egy jó megoldás van! Általában a mérnökök helyesen választanak anyagot, (káresetek legfeljebb 5 % - át okozza rossz anyagválasztás) Anyagválasztás I.
Anyagismeret
2
1
Anyag-, technológia-, konstrukció (költség) egysége Konstrukció (igénybevétel)
KÖLTSÉG Anyag
Technológia
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
3
Elsődlegesek a műszaki követelmények szilárdság szívósság
újrahasznosítás
hőállóság
vizsgálhatóság szerkezeti anyag
korrózióállóság
javíthatóság
ár feldolgozhatóság, megmunkálhatóság
Anyagválasztás I.
különleges fizikai tulajdonságok hozzáférhetőség alakíthatóság
Anyagismeret
4
2
Gazdasági tényezők
a tiszta anyagköltség a nyers alkatrész előállítási költsége (előgyártmánygyártás pl. öntés, hengerlés, képlékeny alakítás, hegesztés stb.) a környezeti költségek a szerszám költségek a forgácsoló megmunkálások költsége a tulajdonságjavító műveletek (hőkezelés, felületi keményítések stb.) az esetleges felület - kikészítési műveletek (korrózióvédelem, dekoráció) költségei. Anyagválasztás I.
Anyagismeret
5
Anyagcsoportok tulajdonságai 1. Jellemző Sűrűség (g/cm3)
Fém
Kerámia
2-16 (átlagosan 8)
Polimer
2-17 (átlagosan 5)
1-2
alacsonytól magasig Sn 232, W 3400 Keménység közepes Forgácsolhatóság jó Szakítószilárdság (MPa) 2500-ig Nyomószilárdság (MPa) 2500-ig Rug. modulus (GPa) 40-400 Kúszási ellenállás rossz
magas 4000 °C-ig
alacsony
magas rossz 400-ig 5000-ig 150-450 kiváló
Hőtágulás
kicsitől közepesig
alacsony jó 120-ig 350-ig 0.001-3.5 nagyon nagy
Olvadáspont (°C)
Anyagválasztás I.
közepes és nagy
Anyagismeret
6
3
Anyagcsoportok tulajdonságai 2. Jellemző
Fém
Kerámia
Polimer
Hővezetés
közepes
közepes, de gyakran gyorsan csökken a hőmérséklettel
Hőlökéssel szembeni ellenállás
jó
általában rossz
Elektromos ellenállás
vezető
szigetelő (de fél- és szupravezetők is)
szigetelő
Kémiai ellenállás
gyenge-közepes
kiváló
általában jó
Oxidációval szembeni ellenállás magas hőmérsékleten
gyenge, anyagtól függ
az oxidoké kiváló SiC és Si3N4 jó
Anyagválasztás I.
nagyon kicsi -
Anyagismeret
7
Mechanikai tulajdonságok
Folyáshatár és szakítószilárdság - rugalmassági modulus Alakváltozó képesség Törési szívósság Kúszási határ Kifáradási határ Keménység - kopásállóság Anyagválasztás I.
Anyagismeret
8
4
További tulajdonságok Megmunkálhatósági jellemzők: önthetőség Sűrűség forgácsolhatóság (automata acélok…) Olvadáspont Elektromos vezetőképesség alakíthatóság (karosszériaanyagok…) Mágneses tulajdonságok kérgesíthetőség: Hővezető képesség Felületi edzés (indukciós, Hőtágulás láng, elektronsugár, lézer) Hőállóság Betétedzés Nitridálhatóság
Fizikai tulajdonságok:
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
9
Acélok szilárdsági tulajdonságainak méretfüggése RP0,2
Ötvözött acélok Ötvözetlen acélok
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
átmérő
10
5
Kérgesítő eljárások (szívós mag, kemény kéreg, …) CVD, PVD bevonatok TiN, TiC stb Pl. fogaskerék, siklócsapágyazott tengelyek
60 55 HRC kéreg
Nagyfrekvenciás felületi edzés
Boridálás
Betétedzés Nitridálás Kéregmélység
1 mm Anyagválasztás I.
Anyagismeret
11
Adatbázisok, segítségek
Tapasztalatok Szakértői rendszerek (EQUIST) Tankönyvek, jegyzetek Szabványok Termékkatalógusok Kézikönyvek Anyagismeret előadás, Oktatók Anyagválasztás I.
Anyagismeret
12
6
„Ököl” - szabályok
(kivételek mindig vannak)
Szerszámot (kemény, kopásálló) szerszámanyagból, Szerkezetet (szívósság-szilárdság), szerkezeti anyagból készítünk. Ha egy anyagot technológiai jelzővel választunk ki, azt úgy is használjuk nemesíthető - nemesítve, betétben edzhető – betétedzéssel, nitridálható- nitridálva, automata acél forgácsolásra, melegalakító szerszámacél - pl. süllyesztékes kovácsolásra, kisajtolásra stb. A beállított tulajdonságokat magasabb hőmérsékletű kezelésekkel nem szabad lerontani… Anyagválasztás I.
Anyagismeret
13
Az acélok tulajdonságait kémiai összetételük és a hőkezelési állapotuk határozza meg T
Lágyítás A3
Edzés
Normalizálás Anyagválasztás I.
Anyagismeret
t 14
7
Hőkezeléssel biztosítható szövetszerkezetek
Egyensúlyi szövetek
Ferrit Perlit Cementit
Egyensúlyitól eltérő szövetek
Bénit Martenzit Szferoidit
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
15
Hőkezelés hatása C 45 - jelű acél (C = 0,45 %) Hőmérséklet oC
A F
A Mk
Mv
B M
edzés Vkritikus felső, alsó Anyagválasztás I.
lágyítás
P
F+P
Normalizálás
A ausztenit F ferrit, P perlit, B bénit, M martenzit O HV keménység F+P+M+ A % az átalakulás mértéke Anyagismeret
16
8
Nemesítés hatása T
Nemesítés = Edzés + Megeresztés Ausztenitesítés
Rm
A3 A1
Megeresztés Edzés
KV
500…550 °C t t
A1
T, °C
Mechanikai tulajdonságok széles körben változtathatók a megeresztési hőmérséklet függvényében Anyagválasztás I.
Anyagismeret
17
Egyensúlyi szövetszerkezetek 1.
Ferrit
C=0,02 %
Perlit N I.≈ Anyagválasztás
N ≈ 200
2000
Ferrit + perlit C = 0,18 % N ≈ 200
Ausztenit 1050 °C-ról vízben hűtve N ≈ 375 Anyagismeret
18
9
Egyensúlyi szövetszerkezetek 2.
Perlit + szekunder cementit N ≈ 300
Ledeburitos öntöttvas N = 400 Anyagválasztás I.
Perlit + lemezes grafitos öntöttvas N = 400
Ledeburit + primér cemetit Anyagismeret
N ≈ 300
19
C15 hőkezelésénél kapott szövetek
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
20
10
C30 hőkezelésénél kapott szövetek
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
21
Megeresztés során kapott szövetszerkezetek C30
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
22
11
Szerszámacélok szövetszerkezete
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
23
Nem egyensúlyi szövetek
Martenzit N ≈600
Ferrit - bénit
Martenzit Anyagválasztás I.
+ bénit N ≈ 625
Anyagismeret
Szferoidit N ≈ 600
24
12
Acélok felhasználás szerinti csoportosítása
Szerkezeti acélok
Általános rendeltetésű acélok Kis C – tartalmú acélok Betétben edzhető acélok Hegeszthető acélok Hidegen alakítható acélok Melegszilárd acélok Hidegszívós acélok Automata acélok Nemesíthető acélok Nemesíthető szerkezeti acélok Nitridálható acélok Rugó acélok Gördülőcsapágy acélok
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
25
Szerszámacélok
Ötvözetlen szerszámacélok Hidegalakító szerszámacélok Melegalakító szerszámacélok Forgácsoló szerszám acélok
Gyorsacélok Keményfémek
Bevonatos keményfém lapok
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
26
13
Anyagválasztási példák
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
27
Alkatrészpéldák 1.
Vezér (bütykös)tengely
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
28
14
Vezértengely (bütyköstengely) Fő követelmények: • Martenzites felület Cmin= 0,8% Felületi edzéssel Felületi Betétedzéssel (kéregben 1% C kopásállóság!!! cementálva + kettős edzés) (legalább 60HRC) Felületi sugárkezelések, Nagy felületi (Hertz) felületötvözés: feszültség lézer, elektronsugár… (Ismétlődő, dinamikus • Felületi olvasztással terhelés kevésbé) (cementites öntöttvas), ív, lézer Méret: Ø 32 mm stb. Szerelt (könnyű csőtengely, 1 mm vastag kéreg porkohászati (gyorsacél)) bütykökkel
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
29
Alkatrészpéldák 2.
Forgattyús (fő) tengely (Ø 55 mm)
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
30
15
Alkatrészpéldák 3.
Szgk. hajtórúd Anyagválasztás I.
Anyagismeret
31
Alkalmazási példák 4. Betétben edzhető szerkezeti acélok
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
Nagy szívósság Kisebb szilárdság a nemesíthető acélokhoz képest Sok esetben alkalmazható nemesíthető- és betétben edzhető acél is ugyanarra a feladatra 32
16
Betétben edzhető acélok: Méret és szilárdság összefüggése
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
33
Alkalmazási példa 5. Nitridálható acélok
Magas hőmérsékleten is kopásálló
Méretpontos alkatrészek készíthetők
Anyagválasztás I.
Martenzit 500 ºC felett megeresztődik
A1 hőmérséklet felett méretváltozás jön létre az allotrop átalakulásnak köszönhetően
Anyagismeret
34
17
Szerszámacélok – Alakító szerszámok 1.
Kivágó szerszám Anyagválasztás I.
Anyagismeret
35
Hidegen alakított alkatrészek
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
36
18
Szerszámacélok – Alakító szerszámok 2.
Folyató szerszám Anyagválasztás I.
Anyagismeret
37
Melegen alakított alkatrészek
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
38
19
Szerszámacélok – Forgácsoló szerszámok PROFIL MARÓ
ÚJMARÓ
Esztergakés Szalagfűrész Anyagválasztás I.
Anyagismeret
39
Gyakorlati feladatok
Többen kapnak egy feladatcsoportot A feladatcsoport 4 feladatból áll, kettő szerkezeti alkatrész, 2 szerszám A munkadarabokat megneveztük és a méreteit, az igénybevételét meghatároztuk - ezt célszerű saját tapasztalat, irodalom stb. alapján kibővíteni Cél a jelenlegi gépészmérnöki gyakorlatban alkalmazott és oktatott anyagok és technológiák alkotó alkalmazása Anyagválasztás I.
Anyagismeret
40
20
Anyagválasztási jegyzőkönyvet kell készíteni
Az anyagválasztási jegyzőkönyv tartalmazza:
A kiinduló előgyártmány állapotát, méreteit Az alakadó technológiát és annak technológiai paramétereit (forgácsolás nem!!!) A gyártás főbb lépéseit Az elvárt tulajdonságot biztosító hőkezelési technológiát és paramétereit Anyagválasztás I.
Anyagismeret
41
Hőkezelési ciklus diagram T
Felületi edzés
A3
Módja
A1 160 … 250 ºC
Edzés Tedzés, tedzés Hűtőközeg
Megeresztés
Tmegeresztés, tmegeresztés
t Kis hőmérsékletű megeresztés
Hűtőközeg
Anyagválasztás I.
Anyagismeret
42
21
